RU2237871C2 - Method for determining phase of emitted wave field - Google Patents

Abstract

FIELD: technology for determining phase of wave field.

SUBSTANCE: method includes transforming of value of change of intensiveness of emitted wave field at selected surface, passing wholly transversely to wave field, for creating of first integrally transformed representation. To first integrally transformed representation a first filter is applied, which matches inversion of first differential operator, shown in given criterion for speed of change of intensiveness, for receiving first modified integrally transformed representation. Inversion of first integral transformation is applied to first modified integrally transformed representation for receiving non-transformed representation. Non-transformed representation is corrected on basis of criterion of intensiveness on given selected surface, and again transformed for receiving second integrally transformed representation. To second integrally transformed representation a second filter is applied, which matches inversion of second differential operator, shown in corrected non-transformed representation, for receiving second modified integrally transformed representation. Inversion of second integral transformation is applied to second modified integrally transformed representation for receiving criterion of phase of emitted wave field in selected plane.

EFFECT: non-interfering method and device providing for measurement of phase and intensiveness in any plane of emitted wave field.

2 cl, 13 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Данное изобретение относится к определению фазы излучаемого волнового поля. Изобретение также относится к ряду применений, в которых можно использовать фазовую информацию излучаемого волнового поля. Используемое в данном описании понятие "излучаемое волновое поле" включает в себя все формы излучения, которые распространяются волновым образом, включая, но не ограничиваясь, например, рентгеновским излучением, видимым светом и электронами.This invention relates to determining the phase of an emitted wave field. The invention also relates to a number of applications in which phase information of a radiated wave field can be used. Used in this description, the concept of "radiated wave field" includes all forms of radiation that propagate in a wave manner, including, but not limited to, for example, x-ray radiation, visible light and electrons.

Уровень техникиState of the art

Техника измерения фазы излучаемого волнового поля имеет много применений в фундаментальных областях физики и служит основой для большого количества измерительных методов различных физических свойств. Примеры применения технологии измерения фазы включают в себя области рентгеновского изображения, электронные микроскопы, оптические микроскопы, а также оптическую томографию и рентгеновскую фазовую томографию.The technique for measuring the phase of the emitted wave field has many applications in fundamental areas of physics and serves as the basis for a large number of measurement methods of various physical properties. Examples of the application of phase measurement technology include X-ray image areas, electron microscopes, optical microscopes, as well as optical tomography and X-ray phase tomography.

Обычно, фазу измеряют с использованием интерферометров различного типа. Основным признаком интерферометрии является способность количественного измерения фазы волнового поля. Хотя основанные на интерферометрии технологии сохраняют значимость, было установлено, что можно использовать неинтерферометрические технологии для получения фазовой информации. Большое количество неинтерферометрических подходов связано с попытками решения уравнения переноса интенсивности для излучаемого волнового поля. Это уравнение связывает поверхностную плотность потока излучения и фазу параксиальной монохроматической волны с ее продольной производной поверхностной плотности потока излучения и описано в статье М.R. Teague "Детерминистский поиск фазы: решение функции Грина", J. Opt. Soc. Am.73. 1434-1441 (1983). В статье N. Streibi "Получение фазовых изображений с помощью уравнения переноса интенсивности". Opt. Comm. 49, 6-10 (1984), описан подход, основанный на уравнении переноса интенсивности, с помощью которого можно сделать видимой фазовую структуру с использованием расфокусирования и цифрового вычитания данных об интенсивности, полученных на различных расстояниях расфокусирования. Этот подход обеспечивает лишь визуализацию фазы и не обеспечивает измерение фазового сдвига. Другой подход, основанный на решении уравнения переноса интенсивности, раскрыт в статье Т.Е. Gureyev, К.A. Nugent, D. Paganin, A. Roberts "Быстрый поиск фазы с использованием быстрого преобразования Фурье", Adaptive Optics, том 23 (1995), Optical Society of America Technical Digest Series, с.77-79, и в статье Т.Е. Gureyev, К.A. Nugent "Быстрое получение количественного фазового изображения с использованием уравнения переноса интенсивности", Opt. Comm., 133, 339-346 (1997). Этот подход позволяет извлекать фазу светового поля из двух измерений близко расположенных в пространстве интенсивностей, когда излучаемый луч имеет произвольное, однако везде ненулевое распределение интенсивности, ограниченное прямоугольным отверстием. Хотя этот подход можно использовать для неоднородных распределений интенсивности, однако степень неоднородности ограничена и привносит значительную сложность вычислений. Следовательно, этот подход не способен справляться с неоднородностями, вызываемыми некоторыми профилями поглощения образцами или при некоторых распределениях интенсивности. Кроме того, этот подход применим только к когерентным волновым полям.Typically, the phase is measured using various types of interferometers. The main sign of interferometry is the ability to quantify the phase of the wave field. Although interferometry-based technologies remain significant, it has been found that non-interferometric technologies can be used to obtain phase information. A large number of non-interferometric approaches are associated with attempts to solve the intensity transfer equation for the emitted wave field. This equation relates the surface density of the radiation flux and the phase of a paraxial monochromatic wave to its longitudinal derivative of the surface density of the radiation flux and is described in M.R. Teague, “Deterministic Phase Search: Solving the Green Function," J. Opt. Soc. Am.73. 1434-1441 (1983). In N. Streibi's article, "Phase Imaging Using the Intensity Transfer Equation." Opt. Comm. 49, 6-10 (1984), an approach based on the intensity transfer equation is described, with which you can make the phase structure visible using defocusing and digitally subtracting intensity data obtained at different defocusing distances. This approach provides only phase visualization and does not provide phase shift measurement. Another approach based on the solution of the intensity transfer equation is disclosed in T.E. Gureyev, K.A. Nugent, D. Paganin, A. Roberts, "Fast Phase Search Using Fast Fourier Transforms," Adaptive Optics, Volume 23 (1995), Optical Society of America Technical Digest Series, pp. 77-79, and T.E. Gureyev, K.A. Nugent "Quickly quantify phase images using the intensity transfer equation", Opt. Comm., 133, 339-346 (1997). This approach allows one to extract the phase of the light field from two measurements of intensities closely spaced in space when the emitted beam has an arbitrary, but everywhere nonzero intensity distribution bounded by a rectangular hole. Although this approach can be used for inhomogeneous intensity distributions, the degree of heterogeneity is limited and introduces considerable computational complexity. Therefore, this approach is not able to cope with the inhomogeneities caused by some absorption profiles of the samples or at some intensity distributions. In addition, this approach is applicable only to coherent wave fields.

Статья К.A. Nugent, Т.Е. Gureyev, D.F. Cookson, D. Paganin, Z. Barnea "Получение количественного фазового изображения с использованием жесткого рентгеновского излучения", (1996) 77 Phys. Rev. lett. 2961-2964, также основана на решении уравнения переноса интенсивности. Описанный метод также не может быть применен к неоднородному распределению интенсивности.Article K.A. Nugent, T.E. Gureyev, D.F. Cookson, D. Paganin, Z. Barnea "Quantitative phase imaging using hard x-ray radiation", (1996) 77 Phys. Rev. lett. 2961-2964 is also based on solving the intensity transfer equation. The described method also cannot be applied to an inhomogeneous intensity distribution.

Другие подходы, основанные на решении уравнения переноса интенсивности, ограниченные требованием однородности, описаны в статье Т.Е. Gureyev, К.A. Nugent, A. Roberts "Поиск фазы с помощью уравнения переноса интенсивности: матричное решение с использованием полиномов Цернике", J. Opt. Soc. Am. А, том 12, 1932-1941 (1995) и в статье Т.Е. Gureyev, A. Roberts, К.A. Nugent "Частично когерентные поля, уравнение переноса интенсивности и единственность фазы", J. Opt. Soc. Am. А, том 12, 1942-1946 (1995).Other approaches based on the solution of the intensity transfer equation, limited by the requirement of homogeneity, are described in T.E. Gureyev, K.A. Nugent, A. Roberts, "Phase Search Using the Intensity Transfer Equation: A Matrix Solution Using Zernike Polynomials," J. Opt. Soc. Am. And, volume 12, 1932-1941 (1995) and in the article by T.E. Gureyev, A. Roberts, K.A. Nugent "Partially coherent fields, intensity transfer equation and phase uniqueness", J. Opt. Soc. Am. A, Volume 12, 1942-1946 (1995).

Способы определения фазы в случае неоднородного освещения описаны в статье Т.Е. Gureyev, К.A. Nugent "Извлечение фазы с помощью уравнения переноса интенсивности. II. Решение с ортогональными последовательностями для неоднородного освещения", J. Opt. Soc. Am. А, том 13, 1670-1682 (1996). Этот подход основан на способе ортогонального расширения и может быть при применении сложным для компьютерных вычислений. Для многих случаев применения эта сложность делает способы непрактичными.Methods for determining the phase in the case of inhomogeneous lighting are described in an article by T.E. Gureyev, K.A. Nugent "Phase extraction using the intensity transfer equation. II. Orthogonal sequence solution for heterogeneous lighting", J. Opt. Soc. Am. A, Volume 13, 1670-1682 (1996). This approach is based on the method of orthogonal expansion and can be complicated for computer calculations when applied. For many applications, this complexity makes the methods impractical.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Данное изобретение обеспечивает создание неинтерферометрического способа и устройства для измерения фазы. В комбинации с прямым измерением интенсивности измерение фазы обеспечивает определение фазы и интенсивности в любой другой плоскости излучаемого волнового поля с использованием известных способов. Изобретение обеспечивает также создание основы для большого числа способов измерения.This invention provides a non-interferometric method and device for measuring phase. In combination with direct intensity measurement, a phase measurement provides the determination of phase and intensity in any other plane of the emitted wave field using known methods. The invention also provides the basis for a large number of measurement methods.

Согласно первому аспекту данного изобретения, создан способ количественного определения фазы излучаемого волнового поля, включающий стадии:According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for quantifying the phase of an emitted wave field, comprising the steps of:

(а) создания представительного критерия скорости изменения интенсивности указанного излучаемого волнового поля на выбранной поверхности, проходящей в целом поперек волнового поля;(a) creating a representative criterion for the rate of change in intensity of said radiated wave field on a selected surface extending generally across the wave field;

(b) создания представительного критерия интенсивности указанного излучаемого волнового поля на указанной выбранной поверхности;(b) creating a representative intensity criterion for said radiated wave field on said selected surface;

(c) трансформации указанного критерия скорости изменения интенсивности для создания первого интегрально трансформированного представления и применения к первому интегрально трансформированному представлению первого фильтра, соответствующего инверсии первого дифференциального оператора, отраженного в указанном критерии скорости изменения интенсивности, для получения первого модифицированного интегрально трансформированного представления;(c) transforming the specified criterion of the rate of change of intensity to create a first integrally transformed representation and applying to the first integrally transformed representation of the first filter, the corresponding inversion of the first differential operator, reflected in the specified criterion of the rate of change of intensity, to obtain the first modified integrally transformed representation;

(d) применения инверсии указанной первой интегральной трансформации к указанному первому модифицированному интегрально трансформированному представлению для получения нетрансформированного представления;(d) applying an inversion of said first integral transformation to said first modified integrally transformed representation to obtain an untransformed representation;

(e) применения коррекции, основанной на указанном критерии интенсивности на указанной выбранной поверхности, к указанному нетрансформированному представлению;(e) applying a correction based on said intensity criterion on said selected surface to said untransformed representation;

(f) трансформации скорректированного нетрансформированного представления для получения второго интегрально трансформированного представления и применения к указанному второму интегрально трансформированному представлению второго фильтра, соответствующего инверсии второго дифференциального оператора, отраженного в указанном корректированном нетрансформированном представлении, для получения второго модифицированного интегрально трансформированного представления;(f) transforming the adjusted non-transformed representation to obtain a second integrally transformed representation and applying to the second second integrally transformed representation a second filter corresponding to the inversion of the second differential operator reflected in the specified corrected non-transformed representation to obtain a second modified integrally transformed representation;

(g) применения инверсии указанной второй интегральной трансформации к указанному второму модифицированному интегрально трансформированному представлению для получения критерия фазы указанного излучаемого волнового поля в указанной выбранной плоскости.(g) applying an inversion of said second integral transformation to said second modified integrally transformed representation to obtain a phase criterion of said radiated wave field in said selected plane.

Согласно второму аспекту данного изобретения, создано устройство для количественного определения фазы излучаемого волнового поля, включающее:According to a second aspect of the present invention, there is provided a device for quantifying the phase of an emitted wave field, including:

(a) средство для создания представительного критерия скорости изменения интенсивности указанного излучаемого волнового поля на выбранной поверхности, проходящей в целом поперек направления распространения;(a) means for creating a representative criterion for the rate of change of intensity of said radiated wave field on a selected surface extending generally across the direction of propagation;

(b) средство для создания представительного критерия интенсивности указанного излучаемого волнового поля на указанной выбранной поверхности;(b) means for creating a representative intensity criterion for said radiated wave field on said selected surface;

(c) обрабатывающее средство для последовательного выполнения:(c) processing means for sequentially performing:

(I) трансформации указанного критерия скорости изменения интенсивности для создания первого интегрально трансформированного представления;(I) transforming said intensity change rate criterion to create a first integrally transformed representation;

(II) применения к первому интегрально трансформированному представлению первого фильтра, соответствующего инверсии первого дифференциального оператора, отраженного в указанном критерии скорости изменения интенсивности, для получения первого модифицированного интегрально трансформированного представления;(II) applying to the first integrally transformed representation of the first filter, the corresponding inversion of the first differential operator, reflected in the specified criterion of the rate of change of intensity, to obtain the first modified integrally transformed representation;

(III) применения инверсии указанной первой интегральной трансформации к указанному первому модифицированному интегрально трансформированному представлению для получения нетрансформированного представления;(Iii) applying an inversion of said first integral transformation to said first modified integrally transformed representation to obtain an untransformed representation;

(IV) применения коррекции, основанной на указанном критерии интенсивности на указанной выбранной поверхности, к указанному нетрансформированному представлению;(Iv) applying a correction based on said intensity criterion on said selected surface to said untransformed representation;

(V) трансформации скорректированного нетрансформированного представления для получения второго интегрально трансформированного представления;(V) transforming the adjusted untransformed representation to obtain a second integrally transformed representation;

(VI) применения к указанному второму интегрально трансформированному представлению второго фильтра, соответствующего инверсии второго дифференциального оператора, отраженного в указанном корректированном нетрансформированном представлении, для получения второго модифицированного интегрально трансформированного представления; и(VI) applying to the second integrally transformed representation a second filter corresponding to the inverse of the second differential operator reflected in the corrected untransformed representation to obtain a second modified integrally transformed representation; and

(VII) применения инверсии указанной второй интегральной трансформации к указанному второму модифицированному интегрально трансформированному представлению для получения критерия фазы указанного излучаемого волнового поля в указанной выбранной плоскости.(Vii) applying an inversion of said second integral transformation to said second modified integrally transformed representation to obtain a phase criterion of said radiated wave field in said selected plane.

Выбранная поверхность может принимать любую форму, которая проходит поперек направления распространения излучения, включая плоскую, частично сферическую и частично цилиндрическую поверхности.The selected surface can take any shape that extends across the direction of radiation propagation, including a flat, partially spherical and partially cylindrical surface.

Первая и вторая интегральные трансформации могут быть любого подходящего типа и включать приближения, используемые для простоты вычислений, скорости или эффективности.The first and second integral transforms can be of any suitable type and include approximations used for ease of calculation, speed, or efficiency.

Первую и вторую интегральные трансформации предпочтительно выполняют с использованием преобразования Фурье. Более предпочтительно трансформация является быстрым преобразованием Фурье. Способ и устройство, согласно данному изобретению, обеспечивают определение фазы излучаемого волнового поля таким образом, что она является значительно менее сложной для вычисления, чем при известных подходах. Это приводит к значительно меньшему времени вычислений. В некоторых примерах время вычисления сокращается на несколько порядков.The first and second integral transforms are preferably performed using the Fourier transform. More preferably, the transformation is a fast Fourier transform. The method and apparatus according to this invention provide for determining the phase of the emitted wave field in such a way that it is much less difficult to calculate than with known approaches. This results in significantly shorter calculation times. In some examples, the computation time is reduced by several orders of magnitude.

Первый и второй дифференциальные операторы предпочтительно являются дифференциальными операторами второго порядка. В предпочтительном применении способа и устройства первый фильтр является по существу таким же, что и второй фильтр. Кроме того, является предпочтительным, чтобы по меньшей мере один из первого и второго фильтров включал коррекцию шума в представительном критерии интенсивности.The first and second differential operators are preferably second order differential operators. In a preferred application of the method and device, the first filter is essentially the same as the second filter. In addition, it is preferable that at least one of the first and second filters include noise correction in a representative intensity criterion.

В одном варианте выполнения изобретения первый фильтр может содержать избирательное подавление первых верхних частот первого интегрально трансформированного представления. В этом варианте выполнения изобретения второй фильтр может содержать избирательное подавление вторых верхних частот указанного второго интегрально трансформированного представления.In one embodiment, the first filter may comprise selectively suppressing the first high frequencies of the first integrally transformed representation. In this embodiment, the second filter may comprise selectively suppressing the second high frequencies of said second integrally transformed representation.

Коррекция, основанная на критерии интенсивности на выбранной поверхности, может быть нулевой коррекцией, когда изменения интенсивности меньше заданного выбранного значения.A correction based on an intensity criterion on a selected surface may be a zero correction when the intensity change is less than a predetermined selected value.

Критерии скорости изменения интенсивности и распределения интенсивности на выбранной поверхности предпочтительно получают из измерений распределения интенсивности на по меньшей мере двух поверхностях, проходящих поперек волнового поля и находящихся на расстоянии друг от друга в направлении распространения излучения. В другом варианте выполнения изобретения представительный критерий скорости изменения интенсивности в направлении распространения излучения получают путем выполнения первого представительного измерения на поверхности измерения, проходящей поперек направления распространения для излучения с первой энергией, и выполнения второго представительного измерения на указанной поверхности измерения для излучения со второй, отличной энергией. В случае рентгеновского излучения, например, изменение энергии излучения можно осуществлять путем изменения мишени рентгеновского излучения или путем подходящей фильтрации.The criteria for the rate of change in intensity and intensity distribution on a selected surface are preferably obtained from measurements of the intensity distribution on at least two surfaces extending across the wave field and spaced apart from each other in the direction of radiation propagation. In another embodiment of the invention, a representative criterion for the rate of change of intensity in the direction of propagation of radiation is obtained by performing a first representative measurement on the measurement surface extending across the direction of propagation for radiation with the first energy, and performing a second representative measurement on the specified measurement surface for radiation with a second, different energy . In the case of x-rays, for example, a change in the radiation energy can be achieved by changing the x-ray target or by suitable filtering.

Выбранная поверхность, для которой выполняют измерения интенсивности и скорости изменения интенсивности, предпочтительно расположена между двумя расположенными на расстоянии друг от друга поверхностями, на которых измеряют распределение интенсивности.The selected surface for which intensity and rate of change of intensity measurements are performed is preferably located between two spaced apart surfaces on which the intensity distribution is measured.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения выбранная поверхность и расположенные на расстоянии друг от друга поверхности являются плоскими. Кроме того, является предпочтительным, чтобы плоскости были в целом перпендикулярны среднему направлению распространения излучения.In a preferred embodiment of the invention, the selected surface and spaced apart surfaces are flat. In addition, it is preferred that the planes are generally perpendicular to the average direction of propagation of the radiation.

Способ и устройство, согласно данному изобретению, можно по меньшей мере частично осуществлять с использованием подходящего программируемого компьютера. В частности, обрабатывающее средство предпочтительно содержит подходящий программируемый компьютер и стадии способа предпочтительно выполняют с использованием подходящего программируемого компьютера. В таких вариантах выполнения изобретения входная информация об интенсивности может принимать форму цифровых изображений или данных, содержащих информацию для таких изображений. При других применениях изобретения можно использовать специальную микросхему быстрого преобразования Фурье в качестве по меньшей мере части обрабатывающего средства.The method and apparatus according to this invention can be at least partially carried out using a suitable programmable computer. In particular, the processing means preferably comprises a suitable programmable computer and the process steps are preferably performed using a suitable programmable computer. In such embodiments, the input intensity information may take the form of digital images or data containing information for such images. In other applications of the invention, a special fast Fourier transform chip may be used as at least part of the processing means.

Представительный критерий скорости изменения интенсивности предпочтительно получают путем вычитания представительных измерений, выполненных соответственно в местах на расположенных на расстоянии друг от друга поверхностях. В предпочтительном варианте выполнения изобретения представительные критерии интенсивности и изменения интенсивности получают путем пробных измерений в выбранных местах на поверхности. Пробные измерения предпочтительно выполняют в местах, образующих правильную решетку на поверхности. Это можно просто осуществить, например, с помощью устройств с зарядовой связью (CCD) в качестве детекторов.A representative criterion for the rate of change in intensity is preferably obtained by subtracting representative measurements taken respectively at locations on surfaces spaced apart from one another. In a preferred embodiment, representative criteria of intensity and intensity change are obtained by trial measurements at selected locations on the surface. Test measurements are preferably performed at locations forming a regular lattice on the surface. This can simply be done, for example, using charge-coupled devices (CCDs) as detectors.

В предпочтительном варианте выполнения способа направление распространения излучаемого волнового поля выбрано в направлении оси z прямоугольной системы координат, и составляющие x и y фазы получают по отдельности.In a preferred embodiment of the method, the direction of propagation of the emitted wave field is selected in the direction of the z axis of the rectangular coordinate system, and the x and y components of the phase are obtained separately.

В этой прямоугольной системе координат, где направление оси z является направлением распространения излучения, предпочтительные фильтры имеют формуIn this rectangular coordinate system, where the direction of the z axis is the direction of propagation of radiation, preferred filters have the form

где k_x, k_y являются переменными Фурье, сопряженными с x и y, иwhere k _x , k _y are Fourier variables conjugate to x and y, and

α является постоянной, определяемой шумом при измерениях интенсивности, и равна нулю в случае отсутствия шума.α is a constant determined by noise in intensity measurements and is zero in the absence of noise.

Критерий скорости изменения интенсивности предпочтительно умножают на негативное значение среднего волнового числа излучения перед интегральной трансформацией в область Фурье.The criterion of the rate of change of intensity is preferably multiplied by the negative value of the average wave number of the radiation before the integral transformation into the Fourier region.

Представительный критерий интенсивности на расположенных на расстоянии друг от друга поверхностях может быть получен путем получения изображения этой поверхности с помощью подходящей системы формирования изображения. Таким образом, информация интенсивности может быть передана в детектор в виде изображения вместо измерения на поверхности.A representative intensity criterion on surfaces spaced apart from one another can be obtained by imaging this surface using a suitable imaging system. Thus, the intensity information can be transmitted to the detector as an image instead of a measurement on the surface.

Таким образом, способ, согласно данному изобретению, обеспечивает количественное и независимое определение фазы и интенсивности излучаемого волнового поля на любой поверхности поперек направления распространения излучения. Из этого определения фазы и интенсивности можно вычислить фазу и интенсивность на любой другой поверхности в направлении распространения. В соответствии с этим, изобретение создает основу для большого числа способов измерения.Thus, the method according to this invention provides a quantitative and independent determination of the phase and intensity of the emitted wave field on any surface transverse to the direction of radiation propagation. From this definition of phase and intensity, the phase and intensity on any other surface in the direction of propagation can be calculated. Accordingly, the invention provides the basis for a large number of measurement methods.

Согласно другому аспекту данного изобретения, создан способ получения изображения объекта, включающий стадииAccording to another aspect of the present invention, a method for obtaining an image of an object, comprising stages

(a) облучения объекта излучаемым из источника волновым полем;(a) irradiating the object with a wave field radiated from the source;

(b) создания представительного критерия скорости изменения интенсивности на выбранной поверхности, проходящей в целом поперек волнового поля на стороне объекта, противоположной падающему излучению;(b) creating a representative criterion for the rate of change of intensity on the selected surface, generally extending across the wave field on the side of the object opposite to the incident radiation;

(c) создания представительного критерия интенсивности указанного излучаемого волнового поля на указанной выбранной поверхности;(c) creating a representative intensity criterion for said radiated wave field on said selected surface;

(d) трансформации указанного критерия скорости изменения интенсивности для создания первого интегрально трансформированного представления и применения к указанному первому интегрально трансформированному представлению первого фильтра, соответствующего инверсии первого дифференциального оператора, отраженного в указанном критерии скорости изменения интенсивности, для получения первого модифицированного интегрально трансформированного представления;(d) transforming said intensity change rate criterion to create a first integrally transformed representation and applying the first filter to said first integrally transformed representation corresponding to the inverse of the first differential operator reflected in said intensity change rate criterion to obtain a first modified integrally transformed representation;

(e) применения инверсии указанной первой интегральной трансформации к указанному первому модифицированному интегрально трансформированному представлению для получения нетрансформированного представления;(e) applying an inversion of said first integral transformation to said first modified integrally transformed representation to obtain an untransformed representation;

(f) применения коррекции, основанной на указанном критерии интенсивности на указанной выбранной поверхности, к указанному нетрансформированному представлению;(f) applying a correction based on said intensity criterion on said selected surface to said untransformed representation;

(g) трансформации скорректированного нетрансформированного представления для получения второго интегрально трансформированного представления и применения к указанному второму интегрально трансформированному представлению второго фильтра, соответствующего инверсии второго дифференциального оператора, отраженного в указанном корректированном нетрансформированном представлении, для получения второго модифицированного интегрально трансформированного представления;(g) transforming the adjusted untransformed representation to obtain a second integrally transformed representation and applying to the second second integrally transformed representation a second filter corresponding to the inversion of the second differential operator reflected in the specified corrected untransformed representation to obtain a second modified integrally transformed representation;

(h) применения инверсии указанной второй интегральной трансформации к указанному второму модифицированному интегрально трансформированному представлению для получения критерия фазы указанного излучаемого волнового поля в указанной выбранной плоскости.(h) applying an inversion of said second integral transformation to said second modified integrally transformed representation to obtain a phase criterion of said radiated wave field in said selected plane.

Согласно еще одному аспекту данного изобретения создано устройство для получения изображения объекта, включающееAccording to another aspect of the present invention, a device for obtaining an image of an object, including

(a) источник для облучения объекта излучаемым волновым полем;(a) a source for irradiating an object with a radiated wave field;

(b) средство для создания представительного критерия скорости изменения интенсивности указанного излучаемого волнового поля на выбранной поверхности, проходящей в целом поперек направления распространения;(b) means for creating a representative criterion for the rate of change in intensity of said radiated wave field on a selected surface extending generally across the direction of propagation;

(c) средство для создания представительного критерия интенсивности указанного излучаемого волнового поля на указанной выбранной поверхности;(c) means for creating a representative intensity criterion for said radiated wave field on said selected surface;

(d) обрабатывающее средство для последовательного выполнения:(d) processing means for sequentially performing:

(I) трансформации указанного критерия скорости изменения интенсивности для создания первого интегрально трансформированного представления;(I) transforming said intensity change rate criterion to create a first integrally transformed representation;

(II) применения к первому интегрально трансформированному представлению первого фильтра, соответствующего инверсии первого дифференциального оператора, отраженного в указанном критерии скорости изменения интенсивности, для получения первого модифицированного интегрально трансформированного представления;(II) applying to the first integrally transformed representation of the first filter, the corresponding inversion of the first differential operator, reflected in the specified criterion of the rate of change of intensity, to obtain the first modified integrally transformed representation;

(III) применения инверсии указанной первой интегральной трансформации к указанному первому модифицированному интегрально трансформированному представлению для получения нетрансформированного представления;(Iii) applying an inversion of said first integral transformation to said first modified integrally transformed representation to obtain an untransformed representation;

(IV) применения коррекции, основанной на указанном критерии интенсивности на указанной выбранной поверхности, к указанному нетрансформированному представлению;(Iv) applying a correction based on said intensity criterion on said selected surface to said untransformed representation;

(V) трансформации скорректированного нетрансформированного представления для получения второго интегрально трансформированного представления;(V) transforming the adjusted untransformed representation to obtain a second integrally transformed representation;

(VI) применения к указанному второму интегрально трансформированному представлению второго фильтра, соответствующего инверсии второго дифференциального оператора, отраженного в указанном корректированном нетрансформированном представлении, для получения второго модифицированного интегрально трансформированного представления; и(VI) applying to the second integrally transformed representation a second filter corresponding to the inverse of the second differential operator reflected in the corrected untransformed representation to obtain a second modified integrally transformed representation; and

(VII) применения инверсии указанной второй интегральной трансформации к указанному второму модифицированному интегрально трансформированному представлению для получения критерия фазы указанного излучаемого волнового поля в указанной выбранной плоскости.(Vii) applying an inversion of said second integral transformation to said second modified integrally transformed representation to obtain a phase criterion of said radiated wave field in said selected plane.

Излучение, используемое для облучения объекта, может быть плоским волновым полем или сферическим волновым полем или произвольным волновым полем. Если желательно воспроизвести фазу в плоскости объекта, то фазу волнового поля, определенного с помощью указанного выше способа и устройства, распространяют в обратном направлении и вычитают волновое поле, использованное для облучения.The radiation used to irradiate the object may be a plane wave field or a spherical wave field or an arbitrary wave field. If it is desirable to reproduce the phase in the plane of the object, then the phase of the wave field determined using the above method and device is propagated in the opposite direction and the wave field used for irradiation is subtracted.

Способ и устройство получения изображения включает по существу определение фазы в соответствии с первым и вторым аспектами данного изобретения. Предпочтительные аспекты изобретения, описанные в связи с этими указанными выше аспектами, также применимы к способу и устройству получения изобретения.The image acquisition method and apparatus includes essentially phase detection in accordance with the first and second aspects of the present invention. Preferred aspects of the invention described in connection with these above aspects are also applicable to a method and apparatus for producing the invention.

В некоторых случаях применения можно использовать нулевое расстояние от объекта до плоскости изображения, соответствующее получению контактного изображения с нулевым расстоянием распространения.In some applications, you can use the zero distance from the object to the image plane, corresponding to obtaining a contact image with a zero propagation distance.

При желании объект можно реконструировать в плоскости объекта посредством обратного распространения интенсивности и количественной фазовой информации для цифровой реконструкции изображения действительной структуры фазы и интенсивности объекта.If desired, the object can be reconstructed in the plane of the object through back propagation of intensity and quantitative phase information for digital reconstruction of the image of the actual structure of the phase and intensity of the object.

В других вариантах выполнения способа могут выполняться более двух измерений распределения интенсивности в плоскости изображения для получения более точной оценки скорости изменения интенсивности или производной интенсивности. В этом случае изменяют одно или оба расстояния от источника до объекта или от объекта до плоскости изображения и выполняют другое измерение распределения интенсивности.In other embodiments of the method, more than two measurements of the intensity distribution in the image plane can be performed to obtain a more accurate estimate of the rate of change in intensity or derivative intensity. In this case, one or both distances from the source to the object or from the object to the image plane are changed and another measurement of the intensity distribution is performed.

При желании объект можно реконструировать в плоскости объекта путем обратного прохождения интенсивности и количественной фазовой информации для цифровой реконструкции изображения действительной структуры фазы и интенсивности объекта.If desired, the object can be reconstructed in the plane of the object by passing back the intensity and quantitative phase information for digital reconstruction of the image of the actual structure of the phase and intensity of the object.

В других вариантах выполнения способа можно выполнять более двух измерений распределения интенсивности в плоскости объекта для получения более точной оценки скорости изменения интенсивности или производной интенсивности. В этом случае изменяют одно или оба расстояния от источника до объекта или от объекта до плоскости изображения и выполняют другое измерение распределения интенсивности. Процесс повторяют до выполнения желаемого количества измерений. С помощью измерения получают данные, которые можно аппроксимировать функцией для определения скорости изменения интенсивности.In other embodiments of the method, more than two measurements of the intensity distribution in the plane of the object can be performed to obtain a more accurate estimate of the rate of change of intensity or derivative of intensity. In this case, one or both distances from the source to the object or from the object to the image plane are changed and another measurement of the intensity distribution is performed. The process is repeated until the desired number of measurements is performed. Using the measurement, data are obtained that can be approximated by a function to determine the rate of change in intensity.

Способ получения изображения можно, в частности, применять для микроскопии с точечной проекцией с использованием рентгеновского излучения, видимого света или электронов.The imaging method can, in particular, be used for point projection microscopy using x-rays, visible light or electrons.

Согласно другому аспекту данного изобретения, создан способ получения фазоамплитудного изображения, включающий стадииAccording to another aspect of the present invention, a method for obtaining a phase-amplitude image, comprising stages

(a) облучения объекта излучаемым волновым полем;(a) irradiating the object with an emitted wave field;

(b) фокусирования излучения от объекта через систему формирования изображения на поверхность получения изображения, проходящую поперек распространения волнового поля от объекта;(b) focusing the radiation from the object through the image forming system onto the image acquisition surface extending across the propagation of the wave field from the object;

(c) создания первого представительного критерия распределения интенсивности над указанной поверхностью получения изображения в первом фокусе формирующей изображение системы;(c) creating a first representative criterion for the distribution of intensity over the specified image acquisition surface at the first focus of the imaging system;

(d) введение изменения в фокус изображения на указанной поверхности получения изображения с помощью формирующей изображение системы;(d) introducing a change in the focus of the image on the specified image acquisition surface using the imaging system;

(e) создания второго представительного критерия распределения интенсивности на указанной поверхности получения изображения; и(e) creating a second representative criterion for the distribution of intensity on the specified image acquisition surface; and

(f) использования указанных первого и второго представительных критериев для создания представительного критерия интенсивности и представительного критерия скорости изменения интенсивности на указанной выбранной поверхности, проходящей поперек волнового поля;(f) using said first and second representative criteria to create a representative intensity criterion and a representative intensity change rate criterion on said selected surface across the wave field;

(g) трансформации указанного критерия скорости изменения интенсивности для создания первого интегрально трансформированного представления и применения к указанному первому интегрально трансформированному представлению первого фильтра, соответствующего инверсии первого дифференциального оператора, отраженного в указанном критерии скорости изменения интенсивности, для получения первого модифицированного интегрально трансформированного представления;(g) transforming the specified criterion of the rate of change of intensity to create a first integrally transformed representation and applying to the first first integrally transformed representation of the first filter, the corresponding inverse of the first differential operator, reflected in the specified criterion of the rate of change of intensity, to obtain the first modified integrally transformed representation;

(h) применения инверсии указанной первой интегральной трансформации к указанному первому модифицированному интегрально трансформированному представлению для получения нетрансформированного представления;(h) applying an inversion of said first integral transformation to said first modified integrally transformed representation to obtain an untransformed representation;

(i) применения коррекции, основанной на указанном критерии интенсивности на указанной выбранной поверхности, к указанному нетрансформированному представлению;(i) applying a correction based on said intensity criterion on said selected surface to said untransformed representation;

(j) трансформации скорректированного нетрансформированного представления для получения второго интегрально трансформированного представления и применения к указанному второму интегрально трансформированному представлению второго фильтра, соответствующего инверсии второго дифференциального оператора, отраженного в указанном корректированном нетрансформированном представлении, для получения второго модифицированного интегрально трансформированного представления;(j) transforming the adjusted non-transformed representation to obtain a second integrally transformed representation and applying to the second second integrally transformed representation a second filter corresponding to the inversion of the second differential operator reflected in said corrected non-transformed representation to obtain a second modified integrally transformed representation;

(k) применения инверсии указанной второй интегральной трансформации к указанному второму модифицированному интегрально трансформированному представлению для получения критерия фазы указанного излучаемого волнового поля в указанной выбранной плоскости.(k) applying an inversion of said second integral transformation to said second modified integrally transformed representation to obtain a phase criterion of said radiated wave field in said selected plane.

Согласно еще одному аспекту данного изобретения создано устройство для получения фазоамплитудного изображения объекта, включающееAccording to another aspect of the present invention, a device for obtaining a phase-amplitude image of an object, including

источник излучаемого волнового поля для облучения объекта;source of the emitted wave field for irradiating the object;

формирующую изображение систему для фокусирования излучения от указанного объекта на поверхность получения изображения, проходящую поперек распространения волнового поля от объекта;an image-forming system for focusing radiation from a specified object onto an image acquisition surface extending across the wave field propagation from the object;

средство для создания представительного критерия интенсивности излучения над указанной поверхностью получения изображения;means for creating a representative criterion of radiation intensity over the specified image acquisition surface;

при этом указанная формирующая изображение система включает избирательно приводимые в действие средства для регулирования указанного фокусирования указанного излучения на указанной поверхности получения изображения с возможностью получения по меньшей мере первого фокусирования и второго фокусирования;wherein said imaging system includes selectively actuated means for regulating said focusing of said radiation on said imaging surface with the possibility of at least first focusing and second focusing;

обрабатывающее средство для:processing agent for:

(i) создания критерия интенсивности и представительного критерия скорости изменения интенсивности на выбранной поверхности, проходящей поперек волнового поля, из(i) creating an intensity criterion and a representative criterion for the rate of change of intensity on a selected surface extending across the wave field from

представительных критериев интенсивности излучения на указанной поверхности получения изображения в указанном первом фокусе и в указанном втором фокусе;representative criteria for the intensity of the radiation on the specified image acquisition surface at the specified first focus and at the specified second focus;

(ii) трансформации указанного критерия скорости изменения интенсивности для создания первого интегрально трансформированного представления;(ii) transforming said intensity change rate criterion to create a first integrally transformed representation;

(iii) применения к первому интегрально трансформированному представлению первого фильтра, соответствующего инверсии первого дифференциального оператора, отраженного в указанном критерии скорости изменения интенсивности, для получения первого модифицированного интегрально трансформированного представления;(iii) applying to the first integrally transformed representation of the first filter, the corresponding inversion of the first differential operator, reflected in the specified criterion of the rate of change of intensity, to obtain the first modified integrally transformed representation;

(iv) применения инверсии указанной первой интегральной трансформации к указанному первому модифицированному интегрально трансформированному представлению для получения нетрансформированного представления;(iv) applying an inversion of said first integral transformation to said first modified integrally transformed representation to obtain an untransformed representation;

(v) применения коррекции, основанной на указанном критерии интенсивности на указанной выбранной поверхности, к указанному нетрансформированному представлению;(v) applying a correction based on said intensity criterion on said selected surface to said untransformed representation;

(vi) трансформации скорректированного нетрансформированного представления для получения второго интегрально трансформированного представления;(vi) transforming the adjusted untransformed representation to obtain a second integrally transformed representation;

(vii) применения к указанному второму интегрально трансформированному представлению второго фильтра, соответствующего инверсии второго дифференциального оператора, отраженного в указанном корректированном нетрансформированном представлении, для получения второго модифицированного интегрально трансформированного представления; и(vii) applying to said second integrally transformed representation of a second filter corresponding to the inversion of the second differential operator reflected in said corrected untransformed representation to obtain a second modified integrally transformed representation; and

(viii) применения инверсии указанной второй интегральной трансформации к указанному второму модифицированному интегрально трансформированному представлению для получения критерия фазы указанного излучаемого волнового поля в указанной выбранной плоскости.(viii) applying an inversion of said second integral transformation to said second modified integrally transformed representation to obtain a phase criterion for said radiated wave field in said selected plane.

Числовая апертура облучающего волнового поля предпочтительно меньше числовой апертуры формирующей изображение системы.The numerical aperture of the irradiating wave field is preferably smaller than the numerical aperture of the imaging system.

Поверхностью получения изображения предпочтительно является детектор. Детектор имеет любой подходящий вид, как, например, камера на основе устройства с зарядовой связью.The imaging surface is preferably a detector. The detector has any suitable form, such as, for example, a camera based on a charge-coupled device.

Первый фокус предпочтительно соответствует изображению в фокусе на поверхности, а измененный фокус соответствует слегка расфокусированному изображению. Можно использовать как положительное, так и отрицательное расфокусирование. Расфокусирование является предпочтительно небольшим, так что минимизируются потери пространственной разрешающей способности. В некоторых случаях применения можно получать более двух изображений для обеспечения более точной оценки скорости изменения интенсивности.The first focus preferably corresponds to the image in focus on the surface, and the changed focus corresponds to the slightly defocused image. Both positive and negative defocusing can be used. Defocusing is preferably small so that spatial resolution loss is minimized. In some applications, more than two images can be obtained to provide a more accurate estimate of the rate of change in intensity.

Способ и устройство для фазоамплитудного получения изображения по существу включают в себя определение фазы, как раскрыто применительно к первому и второму аспектам изобретения.The method and apparatus for phase-amplitude imaging essentially includes determining a phase, as disclosed in relation to the first and second aspects of the invention.

Предпочтительные варианты выполнения, описанные выше в связи с этими аспектами, можно также применять в способе и устройстве для получения изображения.The preferred embodiments described above in connection with these aspects can also be applied to an image acquisition method and apparatus.

В предпочтительном применении способ используется для количественной фазоамплитудной микроскопии. В этом случае формирующая изображение система является увеличительной системой.In a preferred application, the method is used for quantitative phase-amplitude microscopy. In this case, the imaging system is a magnifying system.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения поверхность предпочтительно является плоской.In a preferred embodiment, the surface is preferably flat.

Перечень фигур чертежейList of drawings

Ниже приводится подробное описание примеров выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых изображено:The following is a detailed description of examples of carrying out the invention with reference to the drawings, which depict:

фиг.1 - схема системы для определения фазы, когда объект освещается (а) излучением плоской волны и (b) излучением точечного источника;figure 1 - diagram of a system for determining the phase when the object is illuminated by (a) the radiation of a plane wave and (b) the radiation of a point source;

фиг.2 - графическая схема программы осуществления способа определения фазы, согласно варианту выполнения данного изобретения;figure 2 is a graphical diagram of a program implementing the method for determining the phase, according to a variant implementation of the present invention;

фиг.3(а)-(f) - моделированные изображения, иллюстрирующие определение фазы при освещении плоской волной;figure 3 (a) - (f) are simulated images illustrating the determination of the phase when illuminated by a plane wave;

фиг.4(а)-(m) - ряд изображений, иллюстрирующих определение фазы и обратное распространение к другой плоскости изображения;4 (a) to (m) are a series of images illustrating phase detection and back propagation to another image plane;

фиг.5 - схема системы для микроскопии с точечной проекцией с использованием способа, согласно данному изобретению;5 is a diagram of a system for microscopy with a point projection using the method according to this invention;

фиг.6 - схема системы для количественной фазоамплитудной микроскопии с использованием способа, согласно данному изобретению;6 is a diagram of a system for quantitative phase-amplitude microscopy using the method according to this invention;

фиг.7 - пример выполнения системы для количественной фазоамплитудной микроскопии с использованием способа, согласно данному изобретению;7 is an example implementation of a system for quantitative phase-amplitude microscopy using the method according to this invention;

фиг.8(а)-(d) - изображения интенсивности и изображения фазы, полученные с использованием системы, показанной на фиг.7;FIGS. 8 (a) to (d) are intensity images and phase images obtained using the system shown in FIG. 7;

фиг.9 - график сравнения измеренных и ожидаемых фазовых профилей волокна, показанного на фиг.3;Fig.9 is a graph comparing the measured and expected phase profiles of the fiber shown in Fig.3;

фиг.10 - пример выполнения системы для трехмерной оптической фазовой томографии, согласно данному изобретению;figure 10 is an example embodiment of a system for three-dimensional optical phase tomography, according to this invention;

фиг.11 - часть фиг.10 в увеличенном масштабе;11 - part of figure 10 on an enlarged scale;

фиг.12 - типичный томографический срез через фазовое изображение, созданное в примере 4; и12 is a typical tomographic slice through a phase image created in Example 4; and

фиг.13 - график сравнения реконструированного распределения показателя преломления с известным распределением показателя преломления, согласно примеру 4.Fig is a graph comparing the reconstructed distribution of the refractive index with the known distribution of the refractive index, according to example 4.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

На фиг.1(а) и (b) показана схема системы для определения фазы, согласно данному изобретению, когда объект освещают излучением 2 плоской волны или излучением 2 точечного источника для создания отраженных лучей 3.Figure 1 (a) and (b) shows a diagram of a system for determining the phase according to this invention, when the object is illuminated by radiation 2 of a plane wave or radiation 2 of a point source to create reflected rays 3.

В каждой точке пространства оптический луч имеет два свойства: интенсивность и фазу. Интенсивность является мерой количества энергии, проходящей через каждую точку, в то время как фаза определяет критерий направления потока энергии.At each point in space, an optical beam has two properties: intensity and phase. Intensity is a measure of the amount of energy passing through each point, while the phase determines the criterion for the direction of energy flow.

Интенсивность можно измерять непосредственно, например, путем записи изображения на пленку. Фазу обычно измеряют с использованием интерференции с "опорным лучом". В противоположность этому способ, согласно данному изобретению, является неинтерферометрическим способом измерения фазы.The intensity can be measured directly, for example, by recording the image on film. The phase is usually measured using "reference beam" interference. In contrast, the method according to this invention is a non-interferometric method for measuring phase.

Интенсивность можно измерять на двух параллельных поверхностях А, В, проходящих поперек направления распространения волнового поля, на стороне, удаленной от падающего излучения.The intensity can be measured on two parallel surfaces A, B, extending across the direction of wave field propagation, on the side remote from the incident radiation.

Согласно данному изобретению, определяют фазу путем решения уравнения переноса интенсивности:According to this invention, the phase is determined by solving the intensity transfer equation:

где I является интенсивностью в плоскости,

обозначает оператор градиента в плоскости, k является волновым числом излучения и

, является производной интенсивности или скоростью изменения интенсивности. Следует отметить, что

оценивают из разности измерений в плоскостях А и В, показанных на фиг.1, в то время как интенсивность I определяется средним значением измерений.where I is the intensity in the plane,

denotes the gradient operator in the plane, k is the radiation wave number and

is a derivative of the intensity or rate of change of intensity. It should be noted that

estimated from the difference in measurements in the planes A and B shown in figure 1, while the intensity I is determined by the average value of the measurements.

Для получения решения уравнения 1 сначала задают функцию А какTo obtain a solution to equation 1, first set the function A as

где правая часть принимается как не вращательная.where the right side is accepted as non-rotational.

Таким образом, уравнение (1) принимает вид:Thus, equation (1) takes the form:

С использованием стандартного тождества

это можно записать какUsing standard identity

it can be written as

где

обозначает оператор Лапласа, действительный на поверхности изображения. Это уравнение имеет следующее символическое решение:Where

denotes the Laplace operator, valid on the surface of the image. This equation has the following symbolic solution:

При приложении оператора градиента

к обеим сторонам этого уравнения получаемWhen applying the gradient operator

to both sides of this equation we get

С помощью уравнения (2), определяющего функцию А, можно трансформировать уравнение (6) в уравнениеUsing equation (2) defining function A, one can transform equation (6) into equation

После деления обеих сторон на I получаютAfter dividing both sides by I get

Выполнив две размерных дивергенции

на обеих сторонах уравнения (8) и, снова используя стандартное тождество

, приводят уравнение (8) к виду:By performing two dimensional divergences

on both sides of equation (8) and again using the standard identity

lead equation (8) to the form:

Это уравнение имеет следующее символическое решение:This equation has the following symbolic solution:

Для получения практического решения уравнения (10) необходимы следующие формулы. Подходящую непрерывную функцию f (x, y) можно записать в виде двойного интеграла Фурье:To obtain a practical solution to equation (10), the following formulas are needed. A suitable continuous function f (x, y) can be written as a double Fourier integral:

Функцию

называют "преобразованием Фурье" от f(x, y).Function

called the "Fourier transform" of f (x, y).

Производная по x уравнения (11) дает:The derivative with respect to x of equation (11) gives:

поскольку преобразование Фурье для

равно преобразованию Фурье функции f(x, y), умноженной на ik_x. Другими словами,

где F обозначает преобразование Фурье, а F^-1 обозначает обратное преобразование Фурье. То же относится к

since the Fourier transform for

is equal to the Fourier transform of the function f (x, y) times ik _x . In other words,

where F is the Fourier transform and F ^-1 is the inverse Fourier transform. The same applies to

Если из уравнения (11) получить оператор ЛапласаIf from equation (11) we obtain the Laplace operator

и применить те же рассуждения, то получают, что

где

Таким образом,and apply the same reasoning then get that

Where

Thus,

где F обозначает преобразование Фурье, F^-1 обозначает обратное преобразование Фурье, (k_x, k_y) являются переменными Фурье, сопряженными с (x, y) иwhere F is the Fourier transform, F ^-1 is the inverse Fourier transform, (k _x , k _y ) are Fourier variables conjugate to (x, y) and

Уравнения (13) можно использовать для записи уравнения (10) в видеEquations (13) can be used to write equation (10) in the form

, при этом

, wherein

На практике деление на интенсивность выполняют только тогда, когда интенсивность больше определенного порогового значения (например, 0,1% от максимального значения).In practice, the division by intensity is performed only when the intensity is greater than a certain threshold value (for example, 0.1% of the maximum value).

Деление на k_r не выполняется в точке k_r=0 в пространстве Фурье; вместо этого в этой точке выполняется умножение на ноль. Это равносильно получению главной величины Коши интегрального оператора

.Division by k _{r is} not performed at the point k _r = 0 in the Fourier space; instead, multiplication by zero is performed at this point. This is equivalent to obtaining the principal Cauchy value of the integral operator

.

Для количественного измерения фазы объекта необходимо ввести некоторые физические константы в алгоритм восстановления фазы, заданный уравнениями (14), относительно используемой экспериментальной настройки для количественного выражения k_x, k_y. Это можно осуществить путем записи уравнения (14) в следующем виде, пригодном для применения быстрого преобразование Фурье:In order to quantitatively measure the phase of an object, it is necessary to introduce some physical constants into the phase reconstruction algorithm specified by Eqs. (14) with respect to the experimental setting used for the quantitative expression of k _x , k _y . This can be done by writing equation (14) in the following form, suitable for applying the fast Fourier transform:

, при этом

, wherein

где

указывает частотные составляющие в

где производная интенсивности ∂ _zI(x, y) получена путем вычитания двух изображений I₊ и I_-, разделенных расстоянием ∂ z, i и j являются количествами элементов в изображении, и с использованием того факта, что размер шага в пространстве Фурье задан какWhere

indicates the frequency components in

where the derivative of the intensity ∂ _z I (x, y) is obtained by subtracting two images I ₊ and I _- separated by the distance ∂ z, i and j are the numbers of elements in the image, and using the fact that the step size in the Fourier space is given as

,

,

где изображение является решеткой из N× N элементов изображения с размером Δ x. Таким образом, дополнительно к измерению трех распределений интенсивности необходимо знать размер элемента изображения Δ x, расстояние расфокусирования ∂ _z и длину волны λ для количественного измерения фазы. Все эти количественные показатели можно просто определить: размер элемента изображения можно определить непосредственно, например, из геометрии детектора с устройствами с зарядовой связью (в случае непосредственно получения изображения), или же с помощью существующих способов калибрации шкал поперечного расстояния (в случае формирующей изображение системы), расстояние расфокусирования можно измерить непосредственно, и спектральное распределение освещенности можно определить либо посредством монохроматизации падающего поля или посредством анализа спектрального распределения излучения с использованием существующих спектроскопических методов.where the image is a lattice of N × N image elements with a size Δ x. Thus, in addition to measuring the three intensity distributions, it is necessary to know the image element size Δ x, the defocusing distance ∂ _z and the wavelength λ for quantitative phase measurement. All these quantitative indicators can be simply determined: the size of the image element can be determined directly, for example, from the geometry of the detector with charge-coupled devices (in the case of direct image acquisition), or using existing methods for calibrating the transverse distance scales (in the case of an imaging system) , the defocusing distance can be measured directly, and the spectral distribution of illumination can be determined either by monochromatization of the incident field or by redstvom analyzing the spectral distribution of the radiation using existing spectroscopic methods.

Пример способа извлечения фазы, использующего решение уравнения (14), может быть представлен графической схемой программы, показанной на фиг.2. Как показано на фиг.2, количественное определение фазы излучаемого волнового поля начинается с ряда измерений интенсивности {In} на двух находящихся на расстоянии друг от друга плоскостях А и В. Также выполняют измерение центральной интенсивности I(x, y) в выбранной плоскости, параллельной плоскостям А и В и расположенной посредине между ними. Измерения интенсивности выполняют в заданной решетке на каждой из двух плоскостей А и В и соответствующие величины вычитают для получения критерия производной интенсивности. Эту величину умножают на отрицательное значение среднего волнового числа. Данные разделяют на два ряда составляющих и выполняют быстрое преобразование Фурье для создания соответствующих составляющих x и y в области Фурье. Затем к представлениям в области Фурье применяют фильтрацию, соответствующую инверсии дифференциального оператора, отраженного в нетрансформированном представлении. Дифференциальный оператор представлен

для составляющей x и

для составляющей y. Затем выполняют обратное преобразование Фурье для каждой составляющей x и y для получения величины пространственной области, из которой удален дифференциальный оператор. Затем выполняют деление на центральную интенсивность I(x, y), полученную путем образования среднего значения из измерений интенсивности в плоскостях А и В, если уровень интенсивности превышает заданный пороговый уровень. Полученные данные снова подвергают преобразованию Фурье и подвергают той же фильтрации, что снова соответствует инверсии дифференциального оператора, отраженного в нетрансформированных данных. Дифференциальный оператор снова представлен

для составляющей x и

для составляющей y. Полученные составляющие снова подвергают обратному преобразованию Фурье и суммируют для образования критерия извлеченной фазы.An example of a phase extraction method using the solution of equation (14) can be represented by a graphical diagram of the program shown in FIG. 2. As shown in figure 2, the quantitative determination of the phase of the emitted wave field begins with a series of measurements of the intensity {In} on two planes A and B located at a distance from each other. They also measure the central intensity I (x, y) in the selected plane parallel to planes A and B and located in the middle between them. Intensity measurements are performed in a given lattice on each of the two planes A and B, and the corresponding values are subtracted to obtain a criterion for the derived intensity. This value is multiplied by the negative value of the average wave number. The data is divided into two series of components and performs a fast Fourier transform to create the corresponding components x and y in the Fourier region. Then, representations in the Fourier domain are filtered according to the inverse of the differential operator reflected in the untransformed representation. Differential operator presented

for component x and

for component y. Then, the inverse Fourier transform is performed for each component x and y to obtain the magnitude of the spatial region from which the differential operator is removed. Then, division by the central intensity I (x, y) is performed, obtained by forming the average value from the intensity measurements in planes A and B, if the intensity level exceeds a predetermined threshold level. The data obtained is again subjected to the Fourier transform and subjected to the same filtering, which again corresponds to the inversion of the differential operator reflected in the untransformed data. The differential operator is again presented

for component x and

for component y. The resulting components are again subjected to the inverse Fourier transform and summed to form a criterion for the extracted phase.

Очевидно, что в целом способ, согласно данному изобретению, может исходить из любого представительного определения производной интенсивности или скорости изменения интенсивности на выбранной поверхности, проходящей поперек направления распространения, и интенсивности на той же поверхности. Как будет пояснено ниже с помощью различных примеров, эти данные могут быть получены различными путями, и применен способ для получения фазы излучаемого волнового поля.Obviously, in general, the method according to this invention may proceed from any representative definition of the derivative of the intensity or rate of change of intensity on a selected surface extending across the direction of propagation and intensity on the same surface. As will be explained below using various examples, this data can be obtained in various ways, and a method is applied to obtain the phase of the emitted wave field.

За счет преобразования уравнения (14) с учетом того, чтоDue to the transformation of equation (14), given that

Ω _x(k_x,k_y,α )=k_xk $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{-2}}{\text{r}}$ Ω _x (k _x , k _y , α) = k _x k $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{-2}}{\text{r}}$

Ω _y(k_x,k_y,α )=k_xk $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{-2}}{\text{r}}$ Ω _y (k _x , k _y , α) = k _x k $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{-2}}{\text{r}}$

φ (х,y)=φ ^(x)(х,y)+φ ^(y)(х,y),φ (x, y) = φ ^(x) (x, y) + φ ^(y) (x, y),

получаютget

где φ (x, y) обозначает полученную фазу,where φ (x, y) denotes the obtained phase,

F обозначает преобразование Фурье, и F^-1 - обратное преобразование Фурье,F stands for Fourier transform, and F ^-1 is the inverse Fourier transform,

I(х, y) является распределением интенсивности в представляющей интерес плоскости,I (x, y) is the intensity distribution in the plane of interest,

(х, y) являются прямоугольными координатами в представляющей интерес плоскости,(x, y) are the rectangular coordinates in the plane of interest,

(k_x, k_y) являются переменными Фурье, сопряженными с (х, y),(k _x , k _y ) are Fourier variables conjugate to (x, y),

является средним волновым числом излучения,

is the average wave number of radiation,

является средней длиной волны излучения,

is the average radiation wavelength,

является оценочной величиной производной продольной интенсивности,

is the estimated value of the derivative of longitudinal intensity,

α является регулирующим параметром, используемым для стабилизации алгоритма в присутствии шума.α is the regulatory parameter used to stabilize the algorithm in the presence of noise.

Как указывалось выше, решение уравнения (1) переноса интенсивности предполагает наличие идеальной формирующей изображение системы. Это означает, что в оптической системе, используемой для получения данных интенсивности, вводимых в алгоритм, отсутствуют "аберрации". Естественно, что никакая формирующая изображение система не является идеальной.As indicated above, the solution of equation (1) of the intensity transfer assumes the presence of an ideal imaging system. This means that in the optical system used to obtain the intensity data entered into the algorithm, there are no “aberrations”. Naturally, no imaging system is ideal.

Неидеальности, присутствующие в формирующей изображение системе, можно выразить количественно с помощью ряда чисел:The imperfections present in the image-forming system can be expressed quantitatively using a series of numbers:

которые называют коэффициентами аберрации.which are called aberration coefficients.

Если данные интенсивности получены с помощью неидеального инструмента, неидеальности которого характеризуются определенным рядом известных коэффициентов А₁, А₂, А₃,... аберрации, то желательно заменить фильтры Ω _x(k_x,k_y,α ) и Ω _y(k_x,k_y,α ), присутствующие в уравнении (15), модифицированными фильтрами, которые явно зависят от коэффициентов аберрации:If the intensity data are obtained using an imperfect tool whose imperfections are characterized by a certain number of known aberration factors А ₁ , А ₂ , А ₃ , ..., then it is desirable to replace the filters Ω _x (k _x , k _y , α) and Ω _y (k _x , k _y , α) present in equation (15) with modified filters that explicitly depend on the aberration coefficients:

Это позволяет в явном виде учитывать неидеальности формирующей изображение системы, что приводит к количественно точному определению фазы при использовании неидеальной формирующей изображение системы. Для специального случая не поглощающего фазу объекта в излучаемом волновом поле с однородной интенсивностью со слабыми изменениями фазы (т.е. намного меньше, чем 2π радиан), соответствующим образом модифицированные фильтры приводят к следующей функциональной форме алгоритма извлечения фазы:This allows you to explicitly take into account the imperfections of the image-forming system, which leads to a quantitatively accurate determination of the phase when using a non-ideal image-forming system. For a special case of a phase-non-absorbing object in a radiated wave field with uniform intensity with slight phase changes (i.e. much less than 2π radians), appropriately modified filters lead to the following functional form of the phase extraction algorithm:

где I_aber (х, y) является интенсивностью с аберрацией, измеренной на расстоянии расфокусирования δ z,where I _aber (x, y) is the aberration intensity measured at a defocusing distance δ z,

A_mn представляет коэффициенты аберрации, которые характеризуют неидеальную формирующую изображение систему.A _mn represents aberration coefficients that characterize an imperfect imaging system.

Если фильтр определен какIf the filter is defined as

то уравнение (18) приводится к видуthen equation (18) is reduced to

где член {I_aber(х,y) - 1} является критерием скорости изменения интенсивности, I₀ является поддающейся измерению константой для равномерной интенсивности, так что уравнение (20) имеет такую же общую форму, что и уравнение (15). Следовательно, специальный случай аберрации можно обрабатывать с помощью замены фильтра в общем способе, описанном выше. Составляющие x и y фильтров Ω _x и Ω _y заданы уравнением:where the term {I _aber (x, y) - 1} is a criterion for the rate of change of intensity, I ₀ is a measurable constant for uniform intensity, so that equation (20) has the same general form as equation (15). Therefore, a special case of aberration can be handled by replacing the filter in the general method described above. The components x and y of the filters Ω _x and Ω _{y are} given by the equation:

Пример 1 - моделирование с помощью облучения нормально падающей плоской волнойExample 1 - modeling by irradiation with a normally incident plane wave

Моделирование выполнялось в соответствии с показанной на фиг.1(а) системой, соответствующей плоскому освещению. Пример иллюстрирует применение способа для моделированных данных, не содержащих шума. Дифракционные картины вычислены с использованием формализма "углового спектра", который является давно известной процедурой. На фиг.3(а)-3(f) показаны изображения, полученные при моделировании.The simulation was carried out in accordance with the system shown in FIG. 1 (a), corresponding to flat lighting. An example illustrates the application of the method for simulated noise-free data. Diffraction patterns are calculated using the "angular spectrum" formalism, which is a long-known procedure. Figure 3 (a) -3 (f) shows the images obtained in the simulation.

Размер всех изображений составляет 1,00 квадратный сантиметр и обеспечивает решетку выборки с 256× 256 элементами изображения в плоскости, проходящей перпендикулярно направлению распространения излучения. Длина волны используемого света составляет 632,8 нм. Интенсивность в плоскости z=0, которая изменяется от 0 до 1 в произвольных единицах, показана на фиг.3(а). Внутри зоны не нулевой освещенности, минимальная интенсивность составила 30% максимальной интенсивности. (Черная рамка вокруг края изображения интенсивности соответствует нулевой интенсивности.) Входная фаза, которая изменяется от 0 до π радиан, показана на фиг.3(b).The size of all images is 1.00 square centimeter and provides a sampling lattice with 256 × 256 image elements in a plane perpendicular to the direction of radiation propagation. The wavelength of the light used is 632.8 nm. The intensity in the z = 0 plane, which varies from 0 to 1 in arbitrary units, is shown in FIG. 3 (a). Inside the non-zero light zone, the minimum intensity was 30% of the maximum intensity. (The black frame around the edge of the intensity image corresponds to zero intensity.) The input phase, which varies from 0 to π radians, is shown in FIG. 3 (b).

Изображения, соответствующие плоскостям, сдвинутым в положительную и отрицательную сторону на 2 мм от плоскости z=0, показаны, соответственно, на фиг.3(с) и (d), и имеют соответствующие максимальные интенсивности 1,60 и 1,75 произвольных единиц; вызванный распространением контраст фазы отчетливо виден на каждом из этих изображений. Два расфокусированных изображения вычитают для образования производной интенсивности, которая показана на фиг.3(е).Images corresponding to planes shifted in the positive and negative directions 2 mm from the z = 0 plane are shown, respectively, in Fig. 3 (c) and (d), and have corresponding maximum intensities of 1.60 and 1.75 arbitrary units ; the propagation-induced phase contrast is clearly visible in each of these images. Two defocused images are subtracted to form the derivative of the intensity shown in FIG. 3 (e).

Показанные на фиг.3(а) и (е) изображения дают соответственно критерии интенсивности и скорости изменения интенсивности в плоскости z=0, где они затем обрабатываются в соответствии с компьютерным выполнением способа, показанного на фиг.2, для получения извлеченной карты фазы, показанной на фиг.3(f). Следует отметить, что фиг.3(а) и (f) построены на одинаковом уровне шкалы серого, что указывает на то, что полученная фаза является количественно правильной.The images shown in FIGS. 3 (a) and (e) respectively give criteria for the intensity and rate of change of intensity in the z = 0 plane, where they are then processed in accordance with a computer-based implementation of the method shown in FIG. 2 to obtain an extracted phase map, shown in figure 3 (f). It should be noted that FIGS. 3 (a) and (f) are constructed at the same gray scale level, which indicates that the obtained phase is quantitatively correct.

На фиг.4(а)-(h) показан ряд моделированных изображений, иллюстрирующих определение фазы и последующее обратное распространение в другую плоскость изображения. Все изображения имеют 256× 256 элементов изображения и размер 1 см × 1 см, при длине волны облучения 632,8 нм. Интенсивность и фаза излучения в заданной плоскости показаны соответственно на фиг.4(а) и (b). На фиг.4(с)-(е) показаны соответственно распространенная интенсивность на расстоянии распространения 199, 200 и 201 мм; следует обратить внимание на смешивание информации из фиг.4(а) и (b) в измерениях интенсивности, показанных на фиг.4(с), (d) и (е). С использованием только изображений на фиг.4(с), (d) и (е), с помощью алгоритма извлечения фазы получают карту фазы, показанную на фиг.4(f), для распространенного поля на расстоянии 200 мм. Изображения на фиг.4(d) и (f) были использованы для цифрового обратного распространения волны обратно в исходную плоскость. Это привело к фиг.4(g) и (h) для обратно распространенной интенсивности и фазы, соответственно. Они точно совпадают с фиг.4(а) и (b), демонстрируя тем самым использование способа извлечения фазы для количественного определения амплитуды и фазы поля в регионах, далеко удаленных от тех, в которых выполнены измерения интенсивности. Следует отметить, что обратное распространение не ограничивается свободным пространством; обратное распространение можно осуществлять также через известную оптическую систему.Figures 4 (a) to (h) show a series of simulated images illustrating the phase determination and subsequent back propagation to another image plane. All images have 256 × 256 image elements and a size of 1 cm × 1 cm, with an irradiation wavelength of 632.8 nm. The intensity and phase of the radiation in a given plane are shown in FIGS. 4 (a) and (b), respectively. Figures 4 (c) - (e) respectively show the propagated intensity at a propagation distance of 199, 200 and 201 mm; attention should be paid to mixing the information from FIGS. 4 (a) and (b) in the intensity measurements shown in FIGS. 4 (c), (d) and (e). Using only the images in FIGS. 4 (c), (d) and (e), using the phase extraction algorithm, the phase map shown in FIG. 4 (f) is obtained for a common field at a distance of 200 mm. The images in FIGS. 4 (d) and (f) were used for digital back propagation of the wave back to the original plane. This led to FIGS. 4 (g) and (h) for the backward propagated intensity and phase, respectively. They exactly coincide with FIGS. 4 (a) and (b), thereby demonstrating the use of the phase extraction method for quantifying the field amplitude and phase in regions far removed from those in which intensity measurements were performed. It should be noted that backpropagation is not limited to free space; back propagation can also be carried out through a known optical system.

Пример 2 - Микроскопия с точечной проекциейExample 2 - Microscopy with a point projection

Как показано на фиг.5, излучение, такое как рентгеновское излучение, видимый свет или электроны, из точечного источника 10 может распространяться через свободное пространство к объекту 11, расположенному на расстоянии d_od от источника. Излучение проходит через объект 11 и затем проходит еще на расстояние d_so до одной из плоскостей I₁, I₂ ... I_n, в которой детектируют интенсивность излучения. Это детектирование выполняют с использованием стандартного устройства, такого как камера на основе устройства с зарядовой связью, сигнальной пластины или другого устройства, способного регистрировать и переводить в цифровую форму распределение интенсивности. Затем изменяют одно или оба расстояния d_so и/или d_sd для введения в изображение расфокусирования и еще раз измеряют распределение интенсивности. Случай, когда d_od=0, соответствующий контактному получению изображения с нулевым расстоянием распространения, включается как одно возможное измерение.As shown in FIG. 5, radiation, such as x-rays, visible light, or electrons, from a point source 10 can propagate through free space to an object 11 located at a distance d _od from the source. The radiation passes through the object 11 and then passes another distance d _so to one of the planes I ₁ , I ₂ ... I _n , in which the radiation intensity is detected. This detection is performed using a standard device, such as a camera based on a charge-coupled device, a signal plate, or other device capable of recording and digitizing the intensity distribution. Then one or both of the distances d _so and / or d _{sd is} changed to introduce defocus into the image and the intensity distribution is measured again. The case when d _od = 0, corresponding to the contact image acquisition with a zero propagation distance, is included as one possible measurement.

Затем обрабатывают данные интенсивности с использованием указанного выше способа извлечения фазы. Как указывалось выше, в алгоритм вводят параметры, такие как длина волны, размер элемента изображения и расстояния дефокусирования для получения количественной информации о величине сдвига фазы в плоскости изображения.The intensity data is then processed using the above phase extraction method. As indicated above, parameters are introduced into the algorithm, such as wavelength, pixel size, and defocusing distances to obtain quantitative information about the amount of phase shift in the image plane.

В определенных случаях желательно реконструировать объект в плоскости объекта, в противоположность расположенным ниже по потоку плоскостям I₁, I₂ ... I_n. В этом случае можно использовать интенсивность и количественную информацию о фазе, указанные выше, для обратного распространения светового поля в плоскость объекта, что соответствует цифровой реконструкции изображения из действительной фазы объекта и структуры интенсивности. Это можно осуществить с использованием стандартного кода дифракции.In certain cases, it is desirable to reconstruct the object in the plane of the object, as opposed to the downstream planes I ₁ , I ₂ ... I _n . In this case, one can use the intensity and quantitative information about the phase indicated above for the back propagation of the light field into the plane of the object, which corresponds to a digital reconstruction of the image from the actual phase of the object and the intensity structure. This can be done using a standard diffraction code.

В некоторых случаях желательно получать два или более изображений для получения более точной оценки производной интенсивности dI/dz, для чего еще раз изменяют одно или оба расстояния d_so и/или d_sd и получают другое изображение, при этом повторяют процесс до получения желаемого числа изображений. Затем к этим данным можно подогнать функцию, из которой можно вычислить dI/dz и использовать в алгоритме извлечения фазы вместо простого обычно используемого вычитания двух изображений.In some cases, it is desirable to obtain two or more images to obtain a more accurate estimate of the derivative of the intensity dI / dz, for which one or both of the distances d _so and / or d _sd are changed again and another image is obtained, while repeating the process until the desired number of images is obtained . Then, a function can be fitted to this data from which dI / dz can be calculated and used in the phase extraction algorithm instead of the simple commonly used subtraction of two images.

Пример 3 - количественная фазоамплитудная микроскопияExample 3 - quantitative phase-amplitude microscopy

На фиг.6 показана схема системы для количественной фазоамплитудной микроскопии. Пробу освещают с использованием источника 15 освещения белым светом Коелера (

), обычно используемого в оптических микроскопах. Свет проходит через объект 16 и собирается формирующей изображение системой 17 микроскопа и передается в камеру 18 на основе устройства с зарядовой связью или в другое цифровое устройство получения изображения, имеющего плоскую поверхность получения изображения. Собираются три изображения: изображение I₀ в фокусе и два слегка расфокусированных изображения I₊ и I_-. Расфокусирование осуществляют с помощью подходящего средства, такого как приводная система 19 для регулирования рукоятки фокуса микроскопа. Вводимое расфокусирование обычно очень мало, так чтобы минимизировать ухудшение объемной разрешающей способности, хотя оптимальная величина применяемого расфокусирования определяется свойствами образца и геометрическими параметрами получения изображения, такими как увеличение, числовые апертуры и т.д.Figure 6 shows a diagram of a system for quantitative phase-amplitude microscopy. The sample is illuminated using Kohler’s white light source 15 (

) commonly used in optical microscopes. Light passes through the object 16 and is collected by the imaging system 17 of the microscope and transmitted to the camera 18 on the basis of a charge-coupled device or to another digital image acquisition device having a flat image acquisition surface. Three images are collected: the image I ₀ in focus and two slightly defocused images I ₊ and I _- . Defocusing is carried out using suitable means, such as a drive system 19 for adjusting the focus arm of the microscope. The introduced defocus is usually very small, so as to minimize the deterioration in volume resolution, although the optimal amount of defocus used is determined by the properties of the sample and the geometric parameters of image acquisition, such as magnification, numerical apertures, etc.

При получении изображений числовую апертуру конденсора выбирают меньше числовой апертуры используемого объектива. Если это не имеет места, то происходит серьезное искажение изображения, хотя точная величина расхождения числовых апертур конденсора и объектива зависит от компромисса между точностью изображения и объемной разрешающей способностью, при этом оптимальное расхождение зависит от свойств образца и используемой оптики.When acquiring images, the numerical aperture of the condenser is chosen smaller than the numerical aperture of the lens used. If this does not happen, then a serious image distortion occurs, although the exact difference between the numerical apertures of the condenser and the lens depends on a compromise between image accuracy and volume resolution, while the optimal difference depends on the properties of the sample and the optics used.

Данные интенсивности полученных изображений I₊ и I_- вычитают друг из друга для создания представительного критерия скорости изменения интенсивности (производной интенсивности). Для этой разницы и данных интенсивности полученного изображения I₀ можно использовать описанный выше способ для получения количественной информации о величине сдвига фазы в плоскости изображения.The intensity data of the obtained images I ₊ and I _- are subtracted from each other to create a representative criterion for the rate of change of intensity (derived intensity). For this difference and the intensity data of the obtained image I ₀ , the method described above can be used to obtain quantitative information about the magnitude of the phase shift in the image plane.

Также как в примере 2 для точечной проекции, могут быть случаи, когда желательно получать более двух изображений для получения более точной оценки производной интенсивности dI/dz. Затем к этим данным можно подогнать функцию, из которой можно вычислить dI/dz и использовать в способе определения фазы вместо обычно используемого простого вычитания двух изображений.As in Example 2 for a point projection, there may be cases where it is desirable to obtain more than two images to obtain a more accurate estimate of the derivative of the intensity dI / dz. Then, a function can be fitted to this data from which dI / dz can be calculated and used in the phase determination method instead of the commonly used simple subtraction of two images.

Эту систему можно также применять с отражательными геометрическими параметрами для получения топографии поверхности. Принцип действия системы тот же самый, однако оптику необходимо преобразовать для создания отражательных геометрических параметров - в остальном процесс является идентичным.This system can also be used with reflective geometric parameters to obtain surface topography. The principle of the system is the same, but the optics must be converted to create reflective geometric parameters - otherwise the process is identical.

В некоторых случаях применения желательно также фильтровать свет с выделением определенной длины волны, хотя это не является необходимым для описанного процесса получения изображения, поскольку он также хорошо выполняется с использованием белого света.In some applications, it is also desirable to filter the light with a specific wavelength, although this is not necessary for the described image acquisition process, since it also performs well using white light.

Экспериментальное осуществление показано на фиг.7. Оптический микроскоп 20 Olympus BX-60 оборудован набором UMP/an металлографических объективов и универсальным конденсором для обеспечения освещения Коелера. Для обеспечения возможности сравнения результатов с существующими режимами получения изображения для этого микроскопа также необходима оптика Normanski DIC и набор объективов UplanApo с коррекцией с помощью скользящей крышки, обеспечивающие получение изображений в одинаковом поле зрения с использованием как извлечения фазы, так и оптики Normanski DIC для целей количественного сравнения. К видеовыходу 0,5× микроскопа подключена 12 битная камера 21 на основе устройства с зарядовой связью фирмы Photometrics SenSys с микросхемой устройства с зарядовой связью Kodak KAF-1400 с 1300× 1035 элементами изображения для получения цифровых изображений образца.Experimental implementation is shown in Fig.7. The Olympus BX-60 Optical Microscope 20 is equipped with a set of UMP / an metallographic lenses and a universal condenser to provide Kohler lighting. Normanski DIC optics and a set of UplanApo lenses with correction using a sliding cover are required for comparing the results with existing imaging modes for this microscope. These lenses can be used to obtain images in the same field of view using both phase extraction and Normanski DIC optics for quantitative purposes. comparisons. A 12-bit camera 21 based on a Photometrics SenSys charge-coupled device with a Kodak KAF-1400 charge-coupled device chip with 1300 × 1035 image elements for obtaining digital images of the sample is connected to the video output of a 0.5 × microscope.

Метод извлечения фазы, согласно этому варианту выполнения изобретения, требует получения расфокусированных изображений. Для этого к рукоятке фокуса микроскопа присоединена приводная система 22 с шаговым двигателем. Этот шаговый двигатель 22 соединен с параллельным портом персонального компьютера 23 PC Pentium 133 МГц, используемого также для управления камерой 21 на основе устройства с зарядовой связью, что обеспечивает полностью автоматическое получение изображений в фокусе и вне его. Эта система получения данных соединена со специальным программным обеспечением, написанным для получения фазовых изображений из изображений, полученных камерой на основе устройства с зарядовой связью, за счет чего обеспечивается полная автоматизация последовательности получения изображения и обработки данных.The phase extraction method according to this embodiment of the invention requires defocused images. For this, a drive system 22 with a stepper motor is connected to the focus handle of the microscope. This stepper motor 22 is connected to the parallel port of a Pentium 133 MHz PC personal computer 23, which is also used to control the camera 21 on the basis of a charge-coupled device, which provides fully automatic imaging in and out of focus. This data acquisition system is connected to special software written to obtain phase images from images obtained by a camera based on a charge-coupled device, which ensures complete automation of the sequence of image acquisition and data processing.

Для демонстрации того, что с помощью получения фазового изображения с использованием изобретения можно точно измерять фазовую структуру микроскопичных проб необходимо иметь пробу с хорошо характеризуемыми геометрическими размерами и распределением показателя рефракции. Для этого использовано оптоволокно 3М F-SN-3224 (коммерческое волокно, изготовленное фирмой 3М). Имелись независимые измерения распределения показателя рефракции, выполненные с использованием микроскопии на основе атомных сил и коммерческой техники профилирования, обеспечивающих точное предсказание фазовой структуры выходного волнового поля. Другим преимуществом этого волокна является то, что оно имеет три зоны с разными показателями рефракции, а именно внутреннюю и наружную оболочки и сердечник, в то время как большинство волокон имеют только оболочку и сердечник. Это обеспечивает дополнительную проверку фазовой формирующей изображение системы, поскольку ей необходимо получить точно изображение трех переходов показателя рефракции, вместо только двух.To demonstrate that by obtaining a phase image using the invention, it is possible to accurately measure the phase structure of microscopic samples, it is necessary to have a sample with well-defined geometric dimensions and a refractive index distribution. For this, 3M F-SN-3224 optical fiber (commercial fiber manufactured by 3M) was used. Independent measurements of the distribution of the refractive index were carried out using microscopy based on atomic forces and commercial profiling techniques, providing accurate prediction of the phase structure of the output wave field. Another advantage of this fiber is that it has three zones with different refractive indices, namely the inner and outer shells and the core, while most fibers have only a shell and core. This provides additional verification of the phase imaging system, since it needs to accurately obtain three transitions of the refractive index, instead of only two.

Было получено изображение оптоволокна со стороны для получения проекции показателя рефракции через все слои структуры волокна. Это осуществляется посредством первого удаления пластмассовой оболочки с волокна путем замачивания в изопропиловом спирте и затем удаления пластмассового покрытия с использованием коммерческого устройства для снятия верхнего слоя волокна. Небольшой отрезок волокна, обычно нить длиной примерно 1-2 см, помещают на предметное стекло микроскопа, погруженное в жидкость для согласования показателя, и накрывают покровным стеклом толщиной 0,15 мм. Любой наклон покровного стекла приводит к помеховому наклону в извлеченной фазе, так что две небольшие части волокна, каждая из которых имеет диаметр, аналогичный диаметру образца, помещают параллельно главному волокну на расстоянии около 0,5 см по обе стороны от него. Затем помещают покровное стекло на все три волокна для обеспечения практически параллельного положения относительно предметного стекла микроскопа.An image of the optical fiber from the side was obtained to obtain a projection of the refractive index through all layers of the fiber structure. This is done by first removing the plastic sheath from the fiber by soaking in isopropyl alcohol and then removing the plastic coating using a commercial device to remove the top layer of fiber. A small piece of fiber, usually a thread about 1-2 cm long, is placed on a microscope slide immersed in a liquid to match the indicator, and covered with a 0.15 mm thick cover glass. Any tilt of the coverslip leads to an interference tilt in the extracted phase, so that two small parts of the fiber, each of which has a diameter similar to the diameter of the sample, are placed parallel to the main fiber at a distance of about 0.5 cm on both sides of it. The coverslip is then placed on all three fibers to provide an almost parallel position relative to the microscope slide.

Изображения волокна получены с использованием объектива Olympus 40× 0,75 NA UplanApo, что обеспечивает полное изображение всей ширины волокна с 500× 500 элементами изображения, и для конденсора была выбрана числовая апертура NA=0,2. Профиль показателя рефракции волокна был известен для света с длиной волны 632,8 нм (HeNe-лазер), так что в систему освещения был вставлен полосовой интерференционный фильтр 625±10 нм для обеспечения получения профилей извлеченной фазы на длине волны, как можно ближе расположенной к длине волны, для которой имелись данные для волокна. На фиг.8 показаны изображения интенсивности этого образца в плоскости наилучшего фокусирования и при ±2 мкм по обе стороны от плоскости наилучшего фокусирования, а также фазовое изображение, извлеченное из двух расфокусированных изображений с использованием указанного выше алгоритма извлечения фазы. Следует отметить, что волокно фактически не видно в фокусном изображении и едва видно в слегка расфокусированных изображениях, в то время как в фазовом изображении отчетливо видны как волокно, так и зоны с различными показателями рефракции, включая сердечник с диаметром 4 мкм.Fiber images were obtained using an Olympus 40 × 0.75 NA UplanApo lens, which provides a full image of the entire fiber width with 500 × 500 image elements, and a numerical aperture of NA = 0.2 was selected for the condenser. The fiber refractive index profile was known for light with a wavelength of 632.8 nm (HeNe laser), so a 625 ± 10 nm band-pass interference filter was inserted into the lighting system to ensure that the extracted phase profiles were obtained at a wavelength as close as possible to the wavelength for which fiber data were available. On Fig shows the intensity images of this sample in the plane of best focus and at ± 2 μm on both sides of the plane of best focus, as well as a phase image extracted from two defocused images using the above phase extraction algorithm. It should be noted that the fiber is practically not visible in the focal image and barely visible in slightly defocused images, while in the phase image both fiber and zones with different refractive indices are clearly visible, including a core with a diameter of 4 μm.

На фиг.9 показано сравнение измеренного и ожидаемого фазовых профилей с неопределенностями, показанными на фигуре, представляющей стандартное отклонение данных вдоль длины волокна. Эти отклонения объясняются, вероятно, прежде всего объемными изменениями толщины покрывного стекла и предметного стекла микроскопа. Можно видеть, что извлеченные и ожидаемые фазовые профили хорошо соответствуют друг другу, причем ожидаемый профиль находится внутри пределов погрешности получения профиля с использованием способа, согласно изобретению.Figure 9 shows a comparison of the measured and expected phase profiles with the uncertainties shown in the figure representing the standard deviation of the data along the length of the fiber. These deviations are probably due primarily to volumetric changes in the thickness of the coverslip and the microscope slide. It can be seen that the extracted and expected phase profiles are in good agreement with each other, with the expected profile being within the error limits of the profile using the method according to the invention.

Пример 4 - Трехмерная оптическая фазовая томографияExample 4 - Three-dimensional optical phase tomography

Пример демонстрирует применение количественной фазовой микроскопии к получению трехмерного изображения объектов за счет использования техники компьютерной томографии. Это возможно с использованием техники данного изобретения, поскольку фазовые сдвиги, вызываемые объектом, можно измерять независимо от любых изменений интенсивности в объекте, так что можно использовать обратное преобразование Радона для извлечения трехмерной структуры непосредственно из данных проекции. Хотя экспериментальная демонстрация выполнена в оптическом режиме, те же принципы можно применять также для фазовой томографии с помощью рентгеновского излучения, электронов и нейтронов.An example demonstrates the use of quantitative phase microscopy to obtain a three-dimensional image of objects through the use of computed tomography. This is possible using the technique of the present invention, since the phase shifts caused by the object can be measured independently of any changes in intensity in the object, so you can use the inverse Radon transform to extract the three-dimensional structure directly from the projection data. Although the experimental demonstration was performed in optical mode, the same principles can also be applied to phase tomography using x-rays, electrons, and neutrons.

С целью собирания рядов трехмерных данных используется тот же оптический микроскоп, что и в предыдущем примере, с добавлением поворотного стола 24 для вращения образца внутри границ зоны получения изображения оптического микроскопа, как показано на фиг.10. Поворотный стол 24 более подробно показан на фиг.11.In order to collect the series of three-dimensional data, the same optical microscope is used as in the previous example, with the addition of a turntable 24 for rotating the sample inside the boundaries of the optical microscope image acquisition zone, as shown in FIG. 10. The turntable 24 is shown in more detail in FIG. 11.

Описанная выше система включает в себя приводную систему 22 с шаговым двигателем, соединенным с параллельным портом того же персонального компьютера Pentium 133 МГц, используемого для управления камерой 21 на основе устройства с зарядовой связью, для привода рукоятки фокуса микроскопа. Второй шаговый двигатель 25 был присоединен к второму каналу системы 25 привода двигателя с целью вращения образца. Эта система сбора данных соединена со специальным программным обеспечением, написанным для извлечения фазовых изображений из изображений устройства с зарядовой связью, что обеспечивает полную автоматизацию последовательности получения изображения и обработки данных. Каждый ряд данных собирался с использованием того же микроскопа, что и в примере 3 - оптического микроскопа Olympus BX-60, снаряженного набором объективов UplanApo с коррекцией с помощью скользящей крышки и универсальным конденсором для обеспечения освещения Коелера. Цифровые изображения получены с использованием 12 битной камеры на основе устройства с зарядовой связью фирмы Photometrics SenSys с микросхемой устройства с зарядовой связью Kodak KAF-1400 с 1300× 1035 элементами изображения, подключенной к видеовыходу 0,5× микроскопа.The system described above includes a drive system 22 with a stepper motor connected to the parallel port of the same Pentium 133 MHz personal computer used to control the camera 21 based on a charge-coupled device to drive the microscope focus handle. A second stepper motor 25 was connected to the second channel of the motor drive system 25 to rotate the sample. This data acquisition system is connected to special software written to extract phase images from images of a charge-coupled device, which provides complete automation of the sequence of image acquisition and data processing. Each series of data was collected using the same microscope as in Example 3 - an Olympus BX-60 optical microscope equipped with a set of UplanApo lenses with correction using a sliding cover and a universal condenser to provide Kohler illumination. Digital images were obtained using a 12-bit camera based on a Photometrics SenSys charge-coupled device with a Kodak KAF-1400 charge-coupled device chip with 1300 × 1035 image elements connected to a 0.5 × microscope video output.

Для подготовки волоконного образца 26 для получения изображения пластмассовая оболочка была удалена с небольшого отрезка конца участка волокна путем замачивания в изопропиловом спирте и затем удаления пластмассового покрытия с использованием коммерческого устройства для снятия верхнего слоя волокна. Затем был отрезан небольшой отрезок волокна длиной около 1 дюйма (2,54 см), затем неочищенный конец вставлен в конец иглы 27 100 мм шприца 26 калибра и закреплен небольшим количеством 5 минутного клея Araldite. Для крепления иглы 27 на шаговом двигателе 25 использована оправка 27. Как показано на фиг.11, волокно 26 окружает ванна жидкости 29, согласующая показатели, при этом предметный стол 30 микроскопа закреплен под волокном с использованием силиконовой консистентной смазки и сверху помещено покровное стекло толщиной 0,15 мм.To prepare the fiber sample 26 for imaging, the plastic sheath was removed from a small portion of the end of the fiber portion by soaking in isopropyl alcohol and then removing the plastic coating using a commercial device for removing the upper layer of fiber. Then a small piece of fiber about 1 inch (2.54 cm) long was cut, then the untreated end was inserted into the end of the needle of a 27 100 mm 26 gauge syringe and secured with a small amount of 5 minute Araldite glue. A mandrel 27 was used to attach the needle 27 to the stepper motor 25. As shown in FIG. 11, a fiber 26 surrounds a liquid bath 29, matching parameters, while the microscope stage 30 is fixed under the fiber using silicone grease and a glass cover 0 is placed on top , 15 mm.

Изображения интенсивности на просвет получены тем же путем, что и в примере 3 с использованием объектива Olympus 20× 0,45 NA UMPlan при числовой апертуре конденсора NA=0,1. Полученные изображения имеют размер 500× 500 элементов изображения, которые перекрывают не только ширину волокна, но также всю зону прецессии. Поскольку был известен профиль показателя рефракции волокна для света с длиной волны 632,8 нм (HeNe-лазер), то в систему освещения был вставлен полосовой интерференционный фильтр 625±10 нм для обеспечения получения профилей извлеченной фазы на длине волны, как можно ближе расположенной к длине волны, для которой имелись данные для волокна. Каждое изображение интенсивности было обработано из изображений, полученных при ±2 мкм по обе стороны от плоскости наилучшего фокусирования, и данные собирались со 100 независимых углов внутри 180 градусов, равномерно распределенных с шагом 1,8 градуса между изображениями. Типичное томографическое фазовое изображение показано на фиг.12.Intensity images were obtained in the same way as in Example 3 using an Olympus 20 × 0.45 NA UMPlan lens with a numerical aperture of the condenser NA = 0.1. The resulting images have a size of 500 × 500 image elements that overlap not only the fiber width, but also the entire precession zone. Since the profile of the refractive index of the fiber for light with a wavelength of 632.8 nm (HeNe laser) was known, a 625 ± 10 nm band-pass interference filter was inserted into the lighting system to ensure that the extracted phase profiles were obtained at a wavelength as close as possible to the wavelength for which fiber data were available. Each intensity image was processed from images obtained at ± 2 μm on both sides of the plane of best focus, and data was collected from 100 independent angles inside 180 degrees, uniformly distributed in increments of 1.8 degrees between images. A typical tomographic phase image is shown in FIG.

Данные проекции в виде реконструированных фазовых изображений затем обрабатывались в ряды трехмерных данных с использованием простого посрезного выполнения суммирования алгоритма отфильтрованного обратного распространения с кодом для выполнения томографической реконструкции, записанным на языке программирования IDL/PV-Wave. Сначала ряды выравнивают относительно общей оси вращения посредством пропускания профилей через наборы фазовых данных и компиляции их в синограмму. Затем к характерным признакам данных подгоняют синусоиду для определения положения оси вращения и сдвигают цифровым образом данные, так чтобы ось вращения совпадала с средним столбцом синограммы для упрощения процесса реконструкции. Подгонка кривой к фазовым профилям также позволяет перемещать обратно на линию отклоняющиеся от линии ряды данных, что, в свою очередь, повышает качество реконструированного изображения. Затем эти снова выровненные данные преобразуют в единственный срез через объект путем обратной проекции соединенных фазовых данных после фильтра проекций для подавления функции рассеяния точки 1/r, связанной с реконструкциями с использованием обратной проекции. Затем эти срезы через объект пакетируют один поверх другого для получения полностью трехмерного распределения показателя рефракции образца.The projection data in the form of reconstructed phase images was then processed into a series of three-dimensional data using a simple cut-by-word summary of the filtered back propagation algorithm with a code for performing tomographic reconstruction written in the IDL / PV-Wave programming language. First, the rows are aligned relative to the common axis of rotation by passing profiles through phase data sets and compiling them into a synogram. Then, a sinusoid is fitted to the characteristic features of the data to determine the position of the axis of rotation and the data is digitally shifted so that the axis of rotation coincides with the middle column of the synogram to simplify the reconstruction process. Fitting the curve to phase profiles also allows you to move back to the line deviating data series, which, in turn, improves the quality of the reconstructed image. Then, this newly aligned data is converted into a single slice through the object by back projecting the connected phase data after the projection filter to suppress the scattering function of the 1 / r point associated with reconstructions using back projection. Then these sections through the object are packaged one on top of the other to obtain a fully three-dimensional distribution of the refractive index of the sample.

Срез через реконструированное распределение показателя рефракции показан на фиг.13. Следует отметить, что все три зоны с различным показателем преломления отчетливо видны, и что эти зоны образуют концентрические цилиндры, как и ожидалось для этого образца. Линейный профиль через центр этой реконструкции показан на фиг.13 (прерывистые линии) вдоль известного распределения показателя рефракции для этого волокна (сплошные линии). Величины томографической реконструкции очень близки величинам известного профиля, что подтверждает способ количественной фазовой томографии.A slice through the reconstructed distribution of the refractive index is shown in FIG. 13. It should be noted that all three zones with different refractive indices are clearly visible, and that these zones form concentric cylinders, as expected for this sample. A linear profile through the center of this reconstruction is shown in FIG. 13 (dashed lines) along the known distribution of refractive index for this fiber (solid lines). The values of tomographic reconstruction are very close to the values of the known profile, which confirms the method of quantitative phase tomography.

Claims (48)

1. Способ количественного определения фазы излучаемого волнового поля, включающий стадии: (a) измерения изменения интенсивности излучаемого волнового поля на выбранной поверхности, проходящей в целом поперек волнового поля; (b) измерения интенсивности излучаемого волнового поля на выбранной поверхности; (c) преобразования значения изменения интенсивности для создания первого интегрально преобразованного представления и применения к первому интегрально преобразованному представлению первого фильтра, соответствующего инверсии первого дифференциального оператора, отраженного в изменении интенсивности, для получения первого модифицированного интегрально преобразованного представления; (d) применения инверсии первого интегрального преобразования к первому модифицированному интегрально преобразованному представлению для получения непреобразованного представления; (е) применения коррекции, основанной на значении интенсивности на выбранной поверхности, к непреобразованному представлению путем деления значения изменения интенсивности на значение, полученное из измерения интенсивности; (f) преобразования скорректированного непреобразованного представления для получения второго интегрально преобразованного представления и применения ко второму интегрально преобразованному представлению второго фильтра, соответствующего инверсии второго дифференциального оператора, отраженного в корректированном непреобразованном представлении, для получения второго модифицированного интегрально преобразованного представления; (g) применения инверсии второго интегрального преобразования ко второму модифицированному интегрально преобразованному представлению для получения значения фазы излучаемого волнового поля в выбранной плоскости.1. A method for quantifying the phase of an emitted wave field, comprising the steps of: (a) measuring a change in the intensity of the emitted wave field on a selected surface that extends generally across the wave field; (b) measuring the intensity of the emitted wave field on the selected surface; (c) converting the intensity change value to create the first integrally transformed representation and applying the first filter to the first integrally transformed representation corresponding to the inverse of the first differential operator reflected in the intensity change to obtain the first modified integrally transformed representation; (d) applying the inverse of the first integral transform to the first modified integrally transformed representation to obtain an unformed transform; (e) applying a correction based on the intensity value on the selected surface to the unreformed representation by dividing the intensity change value by the value obtained from the intensity measurement; (f) converting the adjusted untransformed representation to obtain a second integrally transformed representation and applying a second filter to the second integrally transformed representation of the corresponding inverse of the second differential operator reflected in the corrected non-transformed representation to obtain a second modified integrally transformed representation; (g) applying the inversion of the second integral transform to the second modified integrally transformed representation to obtain the phase value of the emitted wave field in the selected plane. 2. Способ по п.1, в котором первое и второе преобразования выполняют с использованием преобразования Фурье.2. The method according to claim 1, in which the first and second transforms are performed using the Fourier transform. 3. Способ по п.2, в котором преобразование Фурье является быстрым преобразованием Фурье.3. The method according to claim 2, in which the Fourier transform is a fast Fourier transform. 4. Способ по любому из пп.1-3, в котором первый и второй дифференциальные операторы являются дифференциальными операторами второго порядка.4. The method according to any one of claims 1 to 3, in which the first and second differential operators are second-order differential operators. 5. Способ по п.1, в котором первый фильтр является, по существу, одинаковым со вторым фильтром.5. The method according to claim 1, in which the first filter is essentially the same with the second filter. 6. Способ по п.1, в котором первый фильтр включает избирательное подавление первых верхних частот первого интегрально преобразованного представления.6. The method according to claim 1, in which the first filter includes selectively suppressing the first high frequencies of the first integrally transformed representation. 7. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, один из указанных первого и второго фильтров включает коррекцию шума в критерии интенсивности.7. The method according to claim 1, wherein at least one of said first and second filters includes noise correction in the intensity criterion. 8. Способ по п.1, включающий стадию получения интенсивности и изменения интенсивности на выбранной поверхности путем выполнения измерений, относящихся к интенсивности на, по меньшей мере, двух расположенных на расстоянии друг от друга поверхностях, проходящих поперек волнового поля.8. The method according to claim 1, comprising the step of obtaining the intensity and changing the intensity on the selected surface by performing measurements related to the intensity on at least two surfaces located at a distance from each other, passing across the wave field. 9. Способ по п.8, в котором выбранная поверхность находится между двумя расположенными на расстоянии друг от друга поверхностями.9. The method according to claim 8, in which the selected surface is between two spaced apart surfaces. 10. Способ по п.8, в котором выбранная поверхность является одной из расположенных на расстоянии друг от друга поверхностей.10. The method of claim 8, in which the selected surface is one of the surfaces located at a distance from each other. 11. Способ по любому из пп.8-10, включающий стадию непосредственного детектирования интенсивности на расположенных на расстоянии друг от друга поверхностях.11. The method according to any one of claims 8 to 10, comprising the step of directly detecting intensity on surfaces spaced apart from one another. 12. Способ по п.8, включающий стадию определения интенсивности, по меньшей мере, на одной из расположенных на расстоянии друг от друга поверхностях путем получения изображения этой поверхности.12. The method according to claim 8, comprising the step of determining the intensity of at least one of the surfaces located at a distance from each other by acquiring an image of this surface. 13. Способ по п.8, в котором расположенные на расстоянии друг от друга поверхности являются, по существу, параллельными.13. The method of claim 8, wherein the surfaces spaced apart from one another are substantially parallel. 14. Способ по п.13, в котором расположенные на расстоянии друг от друга поверхности являются, по существу, плоскими.14. The method according to item 13, in which located at a distance from each other, the surfaces are essentially flat. 15. Способ по п.8, в котором изменение интенсивности получают путем вычитания измерений интенсивности, соответственно выполненных в местах на расположенных на расстоянии друг от друга поверхностях.15. The method according to claim 8, in which the change in intensity is obtained by subtracting the intensity measurements, respectively, made in places on the surfaces located at a distance from each other. 16. Способ по п.1, в котором указанные интенсивность и изменение интенсивности получают посредством выборочных измерений в выбранных местах на указанной поверхности.16. The method according to claim 1, in which the indicated intensity and change in intensity is obtained by selective measurements in selected places on the specified surface. 17. Способ по п.16, в котором выборочные измерения выполняют в местах, образующих правильную решетку на указанной поверхности.17. The method according to clause 16, in which selective measurements are performed in places forming a regular lattice on the specified surface. 18. Способ по любому из п.2 или 3, в котором излучаемое волновое поле распространяется в направлении z прямоугольной системы координат, дополнительно содержащий стадию получения по отдельности составляющей x и составляющей y фазы.18. The method according to any one of claim 2 or 3, in which the radiated wave field propagates in the z direction of a rectangular coordinate system, further comprising the step of separately producing the x component and the y component of the phase. 19. Способ по п.18, в котором первый и второй фильтры имеют компонент Ω_x для создания составляющей x фазы и компонент Ω_y для создания составляющей у фазы в виде19. The method according to p, in which the first and second filters have a component of Ω _x to create a component x of the phase and component Ω _y to create a component of the phase in the form

где k_x, k_y являются переменными Фурье, сопряженными с x и y;where k _x , k _y are Fourier variables conjugate to x and y; α является постоянной, определяемой шумом при измерениях интенсивности.α is a constant determined by noise in intensity measurements. 20. Способ по п.19, включающий стадию умножения значения изменения интенсивности на отрицательное значение среднего волнового числа излучения перед интегральным преобразованием.20. The method according to claim 19, comprising the step of multiplying the value of the change in intensity by a negative value of the average wave number of radiation before the integral conversion. 21. Способ по п.1, включающий стадию получения изменения интенсивности путем получения первого измерения на поверхности измерения поперек волнового поля для излучения первой энергии и получения второго измерения на указанной поверхности измерения для излучения второй отличной энергии.21. The method according to claim 1, comprising the step of obtaining a change in intensity by obtaining a first measurement on the measurement surface across the wave field for emitting the first energy and obtaining a second measurement on the specified measurement surface for emitting a second excellent energy. 22. Способ по любому из п.2 или 3, в котором, по меньшей мере, один из первого и второго фильтров включает коррекцию аберраций в интенсивности и изменении интенсивности посредством включения, по меньшей мере, одного компонента, зависящего от аберрации, коэффициентов системы, создающей получаемые значения.22. The method according to any one of claim 2 or 3, in which at least one of the first and second filters includes the correction of aberrations in intensity and change in intensity by including at least one component depending on the aberration, the coefficients of the system, creating the resulting values. 23. Способ по п.1, в котором излучаемое волновое поле распространяется в направлении z прямоугольной системы координат, дополнительно содержащий стадию получения по отдельности составляющей x и составляющей y фазы и сложение компонентов x и y вместе для получения указанного значения фазы.23. The method according to claim 1, in which the emitted wave field propagates in the z direction of a rectangular coordinate system, further comprising the step of separately producing the x component and the y component of the phase and adding the x and y components together to obtain the indicated phase value. 24. Способ по п.23, в котором первый и второй фильтры имеют компонент Ω_х для создания составляющей x фазы и компонент Ω_y для создания составляющей y фазы в виде24. The method according to item 23, in which the first and second filters have a component of Ω _x to create a component x of the phase and component Ω _y to create a component of y phase in the form

где (k_x, k_y) - переменные Фурье, сопряженные с (x, y);where (k _x , k _y ) are the Fourier variables conjugate to (x, y);

- средняя длина волны излучения;

- average radiation wavelength; δz - расстояние расфокусирования;δz is the defocusing distance; А_mn - коэффициенты аберрации, которые характеризуют неидеальную формирующую изображение систему.And _mn are the aberration coefficients that characterize the imperfect imaging system. 25. Устройство для количественного определения фазы излучаемого волнового поля, включающее:25. Device for quantitative determination of the phase of the emitted wave field, including: (a) средство для измерения изменения интенсивности излучаемого волнового поля на выбранной поверхности, проходящей в целом поперек волнового поля;(a) means for measuring a change in the intensity of the emitted wave field on a selected surface extending generally across the wave field; (b) средство для измерения интенсивности излучаемого волнового поля на выбранной поверхности;(b) means for measuring the intensity of the emitted wave field on a selected surface; (c) обрабатывающее средство для последовательного выполнения: (I) преобразования значения изменения интенсивности для создания первого интегрально преобразованного представления;(c) processing means for sequentially performing: (I) converting the intensity change value to create a first integrally transformed representation; (II) применения к первому интегрально преобразованному представлению первого фильтра, соответствующего инверсии первого дифференциального оператора, отраженного в изменении интенсивности, для получения первого модифицированного интегрально преобразованного представления;(Ii) applying to the first integrally transformed representation of the first filter, the corresponding inversion of the first differential operator, reflected in the change in intensity, to obtain the first modified integrally transformed representation; (III) применения инверсии первого интегрального преобразования к первому модифицированному интегрально преобразованному представлению для получения непреобразованного представления;(Iii) applying the inverse of the first integral transform to the first modified integrally transformed representation to obtain an unformed transform; (IV) применения коррекции, основанной на интенсивности на выбранной поверхности, к непреобразованному представлению путем деления значения изменения интенсивности на значение, полученное из измерения интенсивности;(IV) applying a correction based on the intensity on the selected surface to the unreformed representation by dividing the intensity change value by the value obtained from the intensity measurement; (V) преобразовании скорректированного непреобразованного представления для получения второго интегрально преобразованного представления;(V) transforming the adjusted untransformed representation to obtain a second integrally transformed representation; (VI) применения ко второму интегрально преобразованному представлению второго фильтра, соответствующего инверсии второго дифференциального оператора, отраженного в корректированном непреобразованном представлении, для получения второго модифицированного интегрально преобразованного представления; и(VI) applying to the second integrally transformed representation of the second filter, the corresponding inversion of the second differential operator reflected in the adjusted untransformed representation, to obtain a second modified integrally transformed representation; and (VII) применения инверсии второго интегрального преобразования ко второму модифицированному интегрально преобразованному представлению для получения значения фазы излучаемого волнового поля в выбранной плоскости.(VII) applying the inversion of the second integral transform to the second modified integrally transformed representation to obtain the phase value of the emitted wave field in the selected plane. 26. Устройство по п.25, в котором первое и второе преобразования выполняются с использованием преобразования Фурье.26. The device according A.25, in which the first and second transforms are performed using the Fourier transform. 27. Устройство по п.26, в котором преобразование Фурье является быстрым преобразованием Фурье.27. The device according to p, in which the Fourier transform is a fast Fourier transform. 28. Устройство по п.25, в котором первый и второй дифференциальные операторы являются дифференциальными операторами второго порядка.28. The device according A.25, in which the first and second differential operators are second-order differential operators. 29. Устройство по п.25, в котором первый фильтр является по существу одинаковым со вторым фильтром.29. The device according A.25, in which the first filter is essentially the same with the second filter. 30. Устройство по п.25, в котором первый фильтр включает избирательное подавление первых верхних частот первого интегрально преобразованного представления.30. The device according A.25, in which the first filter includes selectively suppressing the first high frequencies of the first integrally transformed representation. 31. Устройство по любому из пп.25-29, в котором, по меньшей мере, один из первого и второго фильтров включает коррекцию шума в критерии интенсивности.31. The device according to any one of paragraphs.25-29, in which at least one of the first and second filters includes noise correction in the criteria of intensity. 32. Устройство по любому из пп.25-31, включающее средство для выполнения измерений, относящихся к интенсивности на, по меньшей мере, двух расположенных на расстоянии друг от друга поверхностях, проходящих поперек волнового поля.32. The device according to any one of paragraphs.25-31, comprising means for performing measurements related to the intensity on at least two surfaces located at a distance from each other, passing across the wave field. 33. Устройство по п.32, в котором выбранная поверхность находится между двумя расположенными на расстоянии друг от друга поверхностями.33. The device according to p, in which the selected surface is between two spaced apart surfaces. 34. Устройство по п.32, в котором выбранная поверхность является одной из расположенных на расстоянии друг от друга поверхностей.34. The device according to p, in which the selected surface is one of the surfaces located at a distance from each other. 35. Устройство по любому из пп.32-34, включающее детекторное средство, расположенное для непосредственного детектирования интенсивности на расположенных на расстоянии друг от друга поверхностях.35. The device according to any one of paragraphs.32-34, comprising a detector means located for direct detection of intensity on surfaces located at a distance from each other. 36. Устройство по п.32, включающее детекторное средство для получения значения интенсивности, по меньшей мере, на одной из расположенных на расстоянии друг от друга поверхностях путем получения изображения этой поверхности на детекторе.36. The device according to p. 32, comprising a detector means for obtaining the intensity value, at least on one of the surfaces located at a distance from each other by acquiring an image of this surface on the detector. 37. Устройство по п.32, в котором расположенные на расстоянии друг от друга поверхности являются по существу параллельными.37. The device according to p, in which located at a distance from each other, the surfaces are essentially parallel. 38. Устройство по п.32, в котором расположенные на расстоянии друг от друга поверхности являются по существу плоскими.38. The device according to p, in which located at a distance from each other, the surfaces are essentially flat. 39. Устройство по п.32, в котором средство для получения значения изменения интенсивности вычитает измерения интенсивности, соответственно выполненные в местах на расположенных на расстоянии друг от друга поверхностях.39. The device according to p, in which the means for obtaining the value of the change in the intensity subtracts the intensity measurements, respectively, made in places on spaced apart surfaces. 40. Устройство по п.25, в котором средство для измерения интенсивности и указанное средство для получения значения изменения интенсивности выполняют выборочные измерения в выбранных местах на поверхности.40. The device according A.25, in which the means for measuring the intensity and the specified means for obtaining the value of the change in intensity perform selective measurements in selected places on the surface. 41. Устройство по п.40, в котором выборочные измерения выполняются в местах, образующих правильную решетку на поверхности.41. The device according to p, in which selective measurements are performed in places forming a regular lattice on the surface. 42. Устройство по любому из п.26 или 27, в котором излучаемое волновое поле распространяется в направлении z прямоугольной системы координат, и средство обработки создает по отдельности составляющую x и составляющую y фазы.42. The device according to any one of p or 27, in which the emitted wave field propagates in the z direction of the rectangular coordinate system, and the processing means creates separately the x component and the y component of the phase. 43. Устройство по п.42, в котором средство обработки применяет первый и второй фильтры, имеющие компонент Ω_x для создания составляющей x фазы и компонент Ω_y для создания составляющей y фазы в виде43. The device according to § 42, in which the processing means applies the first and second filters having a component of Ω _x to create a component x of the phase and component Ω _y to create a component of y phase in the form

где k_x, k_y являются переменными Фурье, сопряженными с x и y;where k _x , k _y are Fourier variables conjugate to x and y; α является постоянной, определяемой шумом при измерениях интенсивности.α is a constant determined by noise in intensity measurements. 44. Устройство по п.35, в котором значение изменения интенсивности умножается на отрицательное значение среднего волнового числа излучения перед интегральным преобразованием.44. The device according to clause 35, in which the value of the change in intensity is multiplied by a negative value of the average wave number of radiation before the integral conversion. 45. Устройство по любому из пп.25-29, в котором изменение интенсивности образуется путем получения первого измерения на поверхности измерения поперек волнового поля для излучения первой энергии и получения второго измерения на поверхности измерения для излучения второй отличной энергии.45. The device according to any one of paragraphs.25-29, in which the change in intensity is formed by obtaining a first measurement on the measurement surface across the wave field for radiation of the first energy and obtaining a second measurement on the measurement surface for radiation of the second excellent energy. 46. Устройство по любому из п.26 или 27, в котором, по меньшей мере, один из первого фильтра и второго фильтра включает коррекцию аберраций в значения интенсивности и изменения интенсивности посредством включения, по меньшей мере, одного компонента, зависящего от аберрации, коэффициентов системы, создающей получаемые значения.46. The device according to any one of p or 27, in which at least one of the first filter and the second filter includes the correction of aberrations in the values of intensity and changes in intensity by including at least one component, depending on the aberration, the coefficients The system that creates the resulting values. 47. Устройство по п.1, в котором излучаемое волновое поле распространяется в направлении z прямоугольной системы координат, и в котором по отдельности создаются составляющая x и составляющая y фазы.47. The device according to claim 1, in which the emitted wave field propagates in the z direction of a rectangular coordinate system, and in which the x component and the y component of the phase are separately created. 48. Устройство по п.47, в котором первый и второй фильтры имеют компонент Ω_x для создания составляющей x фазы и компонент Ω_y для создания составляющей y фазы в виде48. The device according to clause 47, in which the first and second filters have a component of Ω _x to create a component of x phase and component Ω _y to create a component of y phase in the form

где (k_x, k_y) - переменные Фурье, сопряженными с (x, y);where (k _x , k _y ) are the Fourier variables conjugate to (x, y);

- средняя длина волны излучения;

- average radiation wavelength; δz - расстояние расфокусирования;δz is the defocusing distance; A_mn - коэффициенты аберрации, которые характеризуют неидеальную формирующую изображение систему.A _mn are the aberration coefficients that characterize the imperfect imaging system.

Images